计算机仿真技术-Chapter2.pptVIP

第二章电力电子仿真建模基础 一、模型是仿真的基础，模型与实际系统的相似度，决定了计算机仿真的准确度。 二、应用仿真软件也要深入了解建模理论。 1. 仿真建模的难点： 1.1器件模型的适用性 1.2 电力电子电路的非线性 1.3 装置模型的刚性(病态) 2. 仿真建模方法 2.1 多层次建模方法 三个研究对象： 器件：构成电路的具体元器件，主要指各种电力电子器件。 装置：能够独立完成某种特定功能的机构，主要指电力电子电路。 系统：由若干电路及相互作用的其它单元组成的集合体。 3. 器件仿真建模 小结 建模是仿真的关键 根据研究目的选择建模层次 建模中对其他层次问题的合理简化 器件级仿真可用PSpice、Saber等软件 装置级仿真中多用器件的简化模型或理想开关模型 系统级仿真中需对器件和装置进行进一步简化 谢 谢！ 系统级仿真的简化方法 5.1 器件级的简化(理想开关基础上的简化) 主要用于电力电子电路的控制系统的设计与仿真 开关函数法(以三相电压型变流器为例) 状态空间平均法(以DC/DC变流器为例) 假设电流连续，分段线性状态方程 当变流器处于第一个拓扑条件下时， 当变流器处于第二个拓扑条件下时， 其中Ts为开关周期，d为占空比 状态平均方程 例：Boost电路 Boost电路状态平均方程 进一步简化 小信号模型 5.2 装置级的简化 用于机电系统或电力系统分析 时延模型 如晶闸管变流器可用延迟环节来描述 传递函数法 如变流器的小信号模型 电纳模型 如SVC中的TCR(晶闸管控制电抗器)可用等效电纳表示，来研究SVC对电力系统的补偿作用。 等效受控电源模型 如逆变器可以用可控电压源表示 * * 微模型(Micro-Model)－器件的微观物理模型 功能：精确描述开关转换时刻的电路波形 用于电力电子系统仿真的问题： －仿真效率低 －精度受杂散参数影响 结论： 一般不用于复杂电路的仿真 宏模型(Macro-Model) －根据器件外特性建模 功能：足够反映变流装置宏观响应波形 宏模型的简化： 简化原则： －结果能够反映出装置的响应过程 －保证数值计算稳定性 －计算时间短，代价小 开关非线性－电力电子装置的本质特征 器件开、关 电路拓扑结构变化 状态方程周期性变化 结构变化的时刻 (开关动作时刻) 负荷非线性 内部状态 其它非线性 元件非线性 控制系统非线性 外部控制信号 非线性微分方程组求解 无解析解 数值计算复杂 非线性 微分方程组 非线性 代数方程组 线性 代数方程组 结果 数值积分 牛顿－拉夫逊法 消去法 电力电子装置(系统)运行中包含各频率段的过程 －电磁过程与机电过程 频率范围1 频率范围2 电磁现象 机电现象 行波过程 器件开关过程 暂态过程 开关过电压 短路过程 次同步振荡 暂态稳定 大功率电机 调节过程 谐波 过程 时间 计算 步长 装置内部各部分时间常数相差若干数量级 刚性(病态)系统: 定义：快、慢过程混合,时间常数相差巨大的系统 步长：由Jacobi阵的最大特征值决定 快过程 慢过程 小步长 大步长 计算时间长 计算误差大 变步长 积分法 周期性变化的影响： 变步长法的优点： －快过程期间用小步长以保证精度 －快过程衰减后用大步长以节省时间 电力电子装置 周期性开关过程 快慢过程 交替变化 步长选择上 花费大量时间 解决途径 数值 计算 方法 建模 方法 器件 模型 简化 电路 简化 电气工程背景知识 1. 分析问题的性质与目的 2. 将建模的目的分散到各个层次上 3. 在不同层次上利用不同的软硬件工具与技术建立不同的数学模型 低层次建模 高层次建模 抓主要矛盾 逐个 击破 系统 装置 器件 2.2 器件、装置与系统建模 仿真目的 器件仿真：研究器件开关转换时刻的电路波形，考察其承受的电压、电流强度，选择器件及缓冲电路。 装置、系统仿真：作为一个整体的响应过程，基本组成部分之间的相互关系和自身的开环、闭环动静态特性。 高层次模型并非低层次模型的简单组合，而是对其进行合理简化后的机理性模型。抽取与仿真目的有关的特征关系，忽略其它的非特征