高等电力电子学(仿真)

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1、高等电力电子学,电力电子电路 计算机仿真,1、概述,1.1 计算机仿真指什么？,在计算机上逼真的复现实际电力电子电路的运行过程。,实时仿真,在计算机上计算并绘制出电力电子电路的运行波形。,动态仿真,在计算机上计算并绘制出电力电子电路的某些特性。,CAA,1.2 计算机仿真的意义,可以用仿真的方法验证原理和设计性能，试验极限条件下的特殊情况，从而达到以下目的： 减少设计、研究费用 缩短设计、研究时间 提高设计可靠性,1.3 电力电子电路计算机仿真方法简介,在电力电子电路的仿真中，目前还没有一种仿真软件和方法可以完全替代所有的试验，不同的方法和软件有不同的特点和针对性，因此必须对各种方法的特点有所

2、了解，了解各种建模仿真方法的性质和局限性，并对这些局限性对仿真结果可信度的影响有深入了解，比较有代表性的方法有以下两种。 忽略微高频分量对系统影响所建模型为基础的仿真 （系统级） 尽可能考虑每个元件所有特性所建模型为基础的仿真 （元件级） 需要指出的是，目前仿真软件的发展是非常迅速的，过去侧重于一个方面性能的软件，都在想办法弥补其不足，使其功能更强大，使用面更宽。,1.3.1 计算机仿真的一般过程,开关如何处理,1.3.2 计算机仿真时如何处理电力电子开关的模型？（方法1）,如果用一组可变参数的电阻电容甚至电感组的网络来精确模拟电力电子开关的开关过程（上升、下降时间，通态压降，关断漏电流），就

3、可对电力电子电路运行时s级以下的瞬态特性进行仿真，Pspice软件甚至可以自动帮你形成此元件模型，此种仿真就是元件级仿真。 元件级仿真的优点是能反映电路运行中的细节问题，但运行速度慢，软件运算的收敛性容易出问题。,1.3.2 计算机仿真时如何处理电力电子开关的模型？（方法2）,如果用一个较小的电阻作为开关导通时的模型，用一个较大的电阻作为开关关断时的模型，对电力电子电路的仿真就会简化很多。 这样的处理使电力电子电路仿真中对s级以下瞬态过程的分析就不够精确，但对ms级瞬态过程的分析还是足够精确的，如果不需要分析开关器件开关过程的损耗、开关过程引起的尖峰等问题，就可以用这种开关模型简化仿真过程，减

4、少运算量。,1.3.2 计算机仿真时如何处理电力电子开关的模型？（方法3）,对于一个动态系统进行描述的常规方法是建立起状态方程，对于一个包括开关器件的动态系统而言，上述方法同样是适用的。每一个开关状态将对应一个固定的拓扑，即一个线性的时不变系统, 因此就可以根据状态分别建立相应的线性状态方程。这样我们就将一个非线性的时变系统变成了一系列在时间系列上分段线性化的线性时不变系统，从而就可以利用我们所熟知的线性系统的求解方法来进行求解。即将一个有j个开关状态的电力电子装置，一定的时间序列，列出k个开关周期中各开关状态对应的状态方程组。,1.3.2 计算机仿真时如何处理电力电子开关的模型？（方法3续1

5、）,其中Tkj表示第K个开关周期中的第j个状态的转换时刻。状态变量X为动态元件如电容上的电压和电感中的电流，如前所述由于状态是连续的，所以第j个状态的终值将成为第j+1个状态初值。,1.3.2 计算机仿真时如何处理电力电子开关的模型？（方法3续2）,得出了上面的几组状态方程之后，就可通过迭代的方法逐点求解电路的状态，其中每个状态的最后一个解就是下一个状态的初始值。 采用上述方法进行仿真计算时，实际上是假定开关的开关过程是瞬时完成的，其实用范围与方法2是一样的，一般也不能用于分析开关器件的开关特性及由此引起的问题。,1.3.2 计算机仿真时如何处理电力电子开关的模型？（方法4）,如果能将开关器件

6、的状态转换引起的系统变化用状态方程的输入量变化来表示，及开关状态变化时下面的状态方程中A,B,C,D都不会发生变化，只有u*发生变化，则仿真中只需在适当的时候改变u*，其他时候状态方程中把u*看成是常数就可求解。,此方法虽然与方法2、3假定了开关过程是瞬时完成，从而难以用于分析开关器件的瞬态特性，但是分析系统稳态特性和大信号特性时的常用方法，比方法2，3要简洁，使用面广，对建模水平的要求也高一些。,1.3.2 计算机仿真时如何处理电力电子开关的模型？（方法5）,前面所用方法虽然可以解决物理对象到仿真模型的转换问题，但是这些处理方法都无法给出系统的解析模型，从而使电力电子电路的一些控制特性的分析

7、和仿真变得困难，如果要得到含电力电子开关的电力电子电路的近似解析模型，就可使用状态空间平均方法，当状态空间平均模型是非线性和时变的时，用交流小信号线性模型和直流模型替代他。 具体的理论这里不讲，后面举例说明。,1.4 小结,电力电子电路仿真的特点是电力电子电路含有开关这种非线性时变元件，使得电力电子电路难以直接用线性时不变方程来直接描述，从而给仿真带来麻烦，因此电力电子电路仿真的关键是如何处理好开关元件在仿真模型中的描述问题。 目前电力电子电路仿真可借用很多专用仿真软件来进行，但不同仿真软件特点不一样，能够应用的仿真模型也不一样，仿真前要仔细分析仿真的目的，从而有针对性的建立模型和选择仿真软件

8、。,2 MATLAB用于电力电子电路仿真举例,2.1 MATLAB简介 MATLAB环境是1980年由美国的Cleve Moler博士在教授大学线性代数时开始构思并开发的，在MATLAB环境下矩阵的运算变得异常容易，因此该软件得到广泛流行，1992年Moler博士与一批软件专家一齐成立了专门的公司对它进行改进，并推出了交互式模型输入与仿真环境（SIMULINK),由于MATLAB提供了强大的矩阵处理和绘图功能，很多专家在自己擅长的领域编了一些特殊的工具箱，更加推动了MATLAB应用范围的扩大。 使用MATLAB进行电力电子电路的仿真可满足大部分的目标要求，且简单、方便，电力电子方面的工具箱功能

9、也越来越强大，因此已称为电力电子电路仿真的重要工具 。,2.1 MATLAB简介（续1）,MATLAB 环境 SIMULINK环境,2.1 MATLAB环境下PWM逆变电源的仿真,验证SPWM控制的基本原理 验证闭环控制效果 作为分析、验证的辅助的和验证工具,（a）半桥逆变电路 （b）全桥逆变电路,2.2 开环SPWM的仿真,假设功率开关管是理想器件，图中滤波电感L与滤波电容C构成低通滤波器，r为考虑滤波电感L的等效串联电阻、死区效应、开关管导通压降、线路电阻等逆变器中各种阻尼因素的综合等效电阻。Ud为直流母线电压，u1为逆变桥输出电压，u0为逆变器输出电压，i1为流过滤波电感的电流。i0代表

10、负载电流，可以把它看作是系统的一个外部扰动输入量，这样处理的好处是既符合逆变器负载多种多样的实际情况，又可以建立一个形式简单且不依赖具体负载类型的逆变器数学模型。,2.2 开环SPWM的仿真（续1）,选择电容电压u0和电感电流i1作为状态变量，可得滤波器的状态空间表达式如下：,式中u1*为逆变桥输出、滤波器输入电压，i0为负载电流。 对于半桥电路，逆变桥输出u1*是 Ud/2 或 -Ud/2。 对全桥电路，逆变桥输出u1*是 Ud 或 Ud。,2.2 开环SPWM的仿真（续2）,滤波器模型,负载模型,逆变桥模型,u1*,i0,u0,（续2）,SPWM 逆变桥模型,滤波器模型,滤波器模型(续）,

11、functionsys,xo=filt(t,x,u,flag,Lr, Co,R) if flag=0 sys=2 0 1 2 1 1; xo=0 0 0; elseif flag=1 sys(1)=u(1)-x(2) -R*x(1)/Lr; sys(2)=x(1)-u(2)/Co; elseif flag=3 sys=x(2); else sys=; end,2个状态，x1为电感电流；x2为输出电压 1个输出，sys(1)为输出电压 2个输入，u(1)为输入电压，u(2)为负载电流 初始状态为零,负载模型,functionsys,xo=rect(t,x,u,flag,R1,C,R) elsei

12、f flag=1 if abs(u)=x sys=a1*x+b1*abs(u); else sys=a2*x; end elseif flag=3 if abs(u)=x sys(1)=sign(u)*(abs(u)-x)/R1; sys(2)=x; else sys(1)=0; sys(2)=x; end else sys=; end,逆变电源开环仿真模型 （inverter_oc程序）,逆变电源逆变桥仿真模块的其他处理方法,SPWM逆变桥仿真模块的状态空间模型,由于逆变器主电路中各功率开关管都工作于“开”和“关”两种状态，逆变器本质上是一个非线性系统，而开关管在一个开关周期中的开通或关断期

13、间是连续的，且电路中其它部分又始终工作在连续这一个状态，因此逆变器是由分段线性和线性两部分电路构成的。这种问题可以用经典理论的分段线性化解决，但往往会过于繁杂或不现实，在工程中常常采用状态空间平均法。状态空间平均法相对来说简单易于理解，而且在解决实际的开关变换器模型的问题较快捷，因此得到广泛应用。,SPWM逆变桥仿真模块的状态空间模型（续1）,状态空间平均法是基于逆变器输出频率与系统截止频率远小于开关频率的情况下，在一个开关周期内可以用断续变量的平均值代替其瞬时值，从而得到线性化的状态空间平均模型。在此基础上，可以方便地采用经典理论和方法进行讨论。PWM逆变器的截止频率主要由输出LC滤波器的截

14、止频率决定，LC滤波器的截止频率的确定相对于开关频率足够低，因此状态空间平均模型可以作为PWM逆变器的低频等效。PWM逆变器处于不同开关状态下其状态方程各矩阵是相同的，为常系数矩阵，所以只需对不连续的非线性输入量做平均，即可获得逆变器的状态空间平均模型,SPWM逆变桥仿真模块的状态空间模型（续2）,定义开关函数： S=1 代表相应桥臂上管导通 下管关断； S=0 代表相应桥臂下管导通 上管关断；,SPWM逆变桥仿真模块的状态空间模型（续3）,对于半桥电路，逆变桥输出u1*是 Ud/2 或 -Ud/2。,对全桥电路，逆变桥输出u1*是 Ud 或 Ud。,则逆变桥输出电压可近似表示为：,逆变器滤波

15、器仿真模块的其他处理方法,逆变器滤波器仿真模块的其他处理方法（续）,2.3 SPWM逆变电源闭环仿真,逆变电源闭环系统,主电路仿真模块 可以根据状态方程用S-Function或根据方框图形成（例con_pid.mdl),根据是否考虑死区影响分为带死区和不带死区两种；,如果不考虑SPWM开关过程，采用状态空间平均法分析，则 SPWM产生模块可以用延迟、比例环节代替（例如con_pid6.mdl中PWM）；,控制器考虑,有模拟控制和数字控制两种控制方式； 可以采用PID、重复控制等控制策略；,负载 线性负载：固定负载（例con_pid.mdl） 突变负载（con_pid1.mdl） 非线性负载:整流负载（例con_pid2.mdl中单相 全桥二极管整流负载）,2.4 SPWM逆变电源控制特性计算机分析,频率响应特性 a) 输出电压输入电压开环频率响应 随L、C、r变换情况（例con_pidopen.m ） b) 输出电压输入电压闭环频率响应 随L、C、r变换情况（例con_pidclose.m ）,c) 负载扰动闭环频率响应 随L、C、r变换情况（例con_pidload.m） d) 以上a)、b)、c)随kp、ki、kd变化情况（例con_pidkp.m、 con_pidki.m、con_pidkd.m）,