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1、目 录1 引言32 电力电子仿真软件62.1 OrCAD/Pspice软件62.2 EMTP/EMTDC/PSCAD软件72.3 PLECS仿真软件82.4 MATLAB/Simulink/PSB仿真软件92.4.1 MATLAB/Simulink模块库102.4.2 MATLAB/SimPowerSystems模块库113 电力电子建模仿真技术123.1 电力电子器件仿真123.1.1 工艺模型123.1.2 物理模型133.1.3 电学模型143.2 电力电子电路仿真153.2.1 电力电子电路的非线性153.2.2 电力电子装置的混合性163.2.3 装置模型的病态163.2.4 器件模
2、型的适用性173.2.5 建模183.3 电力电子系统仿真194 电力电子器件仿真204.1 不可控型器件仿真204.1.1 电力二极管的基本特性204.1.2 电力二极管的仿真模型204.1.3 电力二极管的仿真实例224.2 半控型器件仿真254.2.1 晶闸管的工作原理254.2.2 晶闸管的伏安特性264.2.3 晶闸管的仿真模型264.2.4 晶闸管仿真实例304.3 全控型器件仿真334.3.1 可关断晶闸管334.3.2 绝缘栅双极型晶体管405 AC-DC变流电路仿真485.1 单相桥式全控整流电路仿真485.2 三相桥式全控整流电路仿真516 DC-DC变流电路仿真566.1
3、 直流降压斩波电路仿真566.2 直流升压斩波电路仿真596.3 Buck-Boost降压-升压斩波电路仿真617 AC-AC变流电路仿真647.1 单相交流调压电路仿真647.1.1 相位控制657.1.2 通断控制677.1.3 PWM斩波控制707.2 相控式三相交流调压电路仿真757.3 单相交-直-交变频电路仿真788 DC-AC变流电路仿真828.1 电压型单相SPWM半桥逆变器仿真828.2 电压型三相SPWM逆变器电路仿真849 电力电子系统仿真879.1 通用变频器电路仿真879.2 基于超导的直流输电系统仿真899.2.1 超导模型设计909.2.2 基于超导的直流输电系统
4、仿真909.2.3 仿真结果分析93结论95致谢参考文献1 引言 在科学研究和生产实践活动中，为了研究、分析、设计和实现一个系统，常常需要进行试验。试验的方法基本上可以分为两大类：一种是直接在真实系统上进行；另一种是先构造模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。传统上大多采用第一种方法，随着科学技术的发展，尽管第一种方法在某些情况下仍然是必不可少的，但第二种方法日益成为人们更为常用的方法，主要原因在于： （1）系统还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，这只能通过对模型的试验来了解； （2）在真实系统上进行试验可能会引起系统破坏或发生故障，例如，
5、对一个处于运行状态的化工系统或电力系统进行没有把握的试验将会冒巨大的风险； （3）需要进行多次试验时，难以保证每次试验的条件相同，因而无法准确判断试验结果的优劣； （4）试验时间太长或费用昂贵。 （5）实际系统受各种客观条件限制，难以按预期的要求改变参数，得不到所需的实验条件。 因此在模型上进行试验日益为人们所青睐，建模技术也就随之发展起来。 模型一般分为物理模型和数学模型。物理模型与实际系统有相似的物理性质。是按一定比例缩小（或放大）了的实物外形，如沙盘模型、风洞试验中的飞行器外形和船体外形，或是生产过程中试制的样机模型，如导弹上的陀螺等。数学模型是用抽象的数学方程描述系统内部物理变量之间的
6、关系，通过对系统的数学模型的研究可以揭示系统的内在运动和系统的动态性能。数学模型可以分为机理模型（演绎方法推理）、统计模型（归纳法估计）、混合模型，也可以分为静态模型和动态模型两类。 仿真，就是在模型上进行试验。根据模型的不同，仿真可以分为三种：物理仿真、数学仿真和半实物仿真（物理-数学混合仿真）。物理仿真是按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验。物理仿真的优点是直观、形象。物理仿真的缺点是模型改变困难，实验限制多，投资较大。在计算机问世以前，基本上是物理仿真。数学仿真是对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行试验。计算机技
7、术的发展为数学仿真创造了环境，使得数学仿真变得方便、灵活、经济。数学仿真的缺点是受限于系统建模技术，即系统的数学模型不易建立。半实物仿真是将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行试验，对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现；而对比较复杂的部分或对其规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实物，仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验。 计算机仿真技术具有安全性、经济性、可重复性等优点，它不受环境限制，可以缩短研究开发周期，提高生产效率。 电力电子技术的计算机仿真具有十分重要的意义。 首先，计算机仿真可以辅助设计。电力电子设计自动
8、化EDA(Electronic Design Automatic)已广泛应用到各类电系统的工程设计中，彻底改变了以往依靠人工计算、电路实验、实物试制和调试的传统设计方法。随着大规模集成电路和电子计算机的快速发展，电力电子变换和控制电路的计算机仿真技术使设计、实验与调试低成本化和多样化成为现实。 其次，计算机仿真可以辅助分析。通过仿真可以对现有电力电子系统的运行情况进行分析，例如系统性能分析、系统状态估计、系统故障诊断等。 第三，计算机仿真可以辅助教学。 电力电子技术课程是电气工程与自动化、自动化、电力系统自动化等电类专业的重要专业基础课。该课程概念抽象，理论复杂，知识点较多，课堂讲授难度大，不
9、便于自学。该课程教学的最大特点就是电路图和波形图较多，在教学过程中，有许多电路需要画波形图进行分析，而这些电压、电流波形图往往较复杂，在黑板上板书绘图费时费力。当需要改变电路参数时，所有的图形又不得不重新绘制，很不方便。学生在等待老师绘图的过程中容易分心，手工绘制的图形也不规范，也看不到动态运行情况，教学效果不理想。随着电力电子技术的快速发展，教学内容不断增加和充实，如何充分、有效地利用课堂时间，并在课堂教学中融入创新教育，已成为当前教学改革迫切需要解决的问题。 在专业课程的教学实践中适当应用先进的计算机辅助教学系统，最终过渡到教学方法的全面电子化和实验手段的虚拟化已成为发展趋势。为了节约了课
10、堂时间，提高教学效率，增强学生的学习兴趣，加深学生对相关理论知识的理解，非常需要利用计算机建模与仿真技术对电力电子系统进行实验分析。利用计算机仿真技术，课堂可以上演示各种电力电子器件结构、静动态特性以及典型电路波形的动态变化过程，使学生看到实实在在的变化，使学生理解起来更容易、更深刻。课后可以让学生自己动手对电路当中的一些波形去进行仿真，可以极大地提高学生的学习积极性。 本课题正是顺应这种教学需求而提出的。 开发电力电子教学虚拟实验的目的，就是要充分利用现代多媒体技术提供的声音、图像、动画、视频、文本等手段，生动、具体、形象地讲述电力电子电路系统的原理和工作过程。利用计算机软件模拟电力电子电路
11、的工作情况，使学习者形象地观察到电路系统的运行状态，使学习者在一个全仿真的环境中，身临其境地学习知识，以加深对知识的认识和理解。 传统的实验设备成本高，知识点覆盖面窄，大多数为验证性实验，不利于学生对电力电子技术知识的掌握。基于上述原因，本课题以MATLAB为开发工具，设计了一套虚拟实验。通过所构建的虚拟实验室，引导学生对所学过的电力电子装置进行波形分析、定量计算，培养和提高学生利用计算机解决电力电子装置仿真问题的能力，使学生了解和掌握利用计算机建模和仿真技术对电力电子装置进行分析的方法，更深刻地理解所学知识，特别是系统参数、控制方法等对电力电子系统性能(如功率因素、THD等)的影响，为后续课
12、程的学习和毕业设计打下基础。 论文的主要研究内容：（1）总结各种常用电力电子建模仿真软件的特点。（2）分析电力电子器件、电路和系统的建模仿真方法。（3）探讨相位控制、通断控制和PWM控制三种控制技术的仿真实现方案。（4）基于MATLAB开发一套电力电子器件和AC-DC、DC-DC、AC-AC、DC-AC四种基本变流电路的虚拟实验，构建电源、负载、器件、主电路和控制电路的仿真模型，分析研究电路模型的参数设置情况，观察分析变流电路仿真运行后的输出波形。（5）设计一套电力电子装置系统的建模仿真虚拟实验。（6）编写实验指导书。2 电力电子仿真软件2.1 OrCAD/Pspice软件 OrCAD是美国O
13、rCAD Systems公司于20世纪80年代推出的通用逻辑电路设计软件包，它包括电路原理图设计组件OrCAD/SDT(schematic design tool)，逻辑电路仿真组件OrCAD/VST（verification and simulation tool），可变成逻辑电路设计组件OrCAD/PLD(programmable logic device)和印刷电路板版图设计组件OrCAD/PCB(printed circuit board)1234。 PSpice（simulation program with IC emphasis）是一种通用的电子电路仿真软件包。1972年由美国加
14、州大学伯克利分校计算机辅助集成电路设计小组开发的，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计，是应用最为广泛的一个电子电路设计软件。它利用设计人员易于掌握和应用的电路描述语言来电路的结果，参数以及希望分析的电路特性进行描述，然后根据用户设置的条件对电路进行仿真，并根据仿真结果验证所设计电路的可行性。PSpice则是一个由美国MicroSim公司于1984年在2G版本的基础上加以改进以适合PC机使用的PSpice版本，该软件在PSpice6.0及以后的版本中采用了图形界面，进一步方便了用户的使用。 1998年OrCAD公司并购MicroSim公司，经过重新集成的OrCAD/PSpice软件主要包括作
15、为前处理的OrCAD Capture组件，用于电路原理图的设计，仿真参数的设置以及生产电网络连接表（Netlist）；仿真器OrCAD PSpice用于根据上述网络连接表对电路进行仿真验证。一旦设计的原理图通过验证，就可以进入后续的 Layout Plus程序进行印刷电路板版图的设计，或进入 Express进行可编程逻辑元件（PLD）的设计。 PSpice的主要优点： （1）具有模拟/数字混合仿真功能，可以利用文本和原理图两种输入形式进行由数字和模拟元件构成的混合系统设计，这是大多数仿真器不能做到的。采用原理图作为输入时，该软件在电路设计中的作用相当于一个软件面包板，从而大大提高设计效率和节约开发成本。 （2）现在提供的仿真模型库包括常用的模拟器件，数字器件的模型以及包括精确的传输线，磁芯模型在内的总数达3万以上的内建模型。此外她还可以通过其CIS组件从互联网站点上下载新的器件模型，从而帮助用户有效地改进设计和降低成本，用更少得时间设计出更好的电路。 （3）P
