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电力电子电路的电力电子电路的计算机仿真计算机仿真提纲z概述─什么是计算机仿真─计算机仿真的意义是什么─计算机仿真的方法简介─小结z电力电子电路仿真软件简介z以MATLAB为例讲述如何进行电力电子电路的仿真zMATLAB用于电力电子电路的控制器设计仿真1.概述电力电子电路、控制系统的研究方法:解析法：理论分析计算求解实验法：对实际系统测试仿真实验法：针对系统模型进行动态分析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。CAA1.2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、研究费用节省和避免浪费，高效，高利用率，减少损耗、运输和运行成本—缩短设计、研究时间性能改善，提供观测评估分析能力，减少对抗，预防不确定和不利情况—提高设计可靠性模拟偶然事件，紧急事件，提高安全性例:核电站及核设施NuclearpowerplantsBWRboilingwaterreactorPWRpressurizedwaterreactor例:模拟电机和运动控制z仿真的分类─物理仿真：有实物介入，物理模型─数字仿真：计算机数值计算，数学模型z仿真三要素─系统：系统辨识→建模─模型：仿真模型→算法─计算机：仿真实验→结果分析z数字仿真软件─程序编制：数学逻辑→仿真算法─图形组态：各环节模块化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。z忽略高频分量对系统影响所建模型为基础的仿真（系统级）z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系统模型计算机建立仿真模型建立数学模型仿真实验结果分析开关如何处理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成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），就可对电力电子电路运行时μs级以下的瞬态特性进行仿真，例如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μs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其状态方程，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，列出第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）t1t2tjt1t2tjtj(k)t1(k+1)tj(k+1)TKTK+1kk+1k+2t11111,111111KKKXAXButttTYCXDu⎫=+≤≤+⎬=+⎭&MjKKjKKjjjjjjjjjjTttTtuDXCYuBXAX,1,+≤≤+⎪⎭⎪⎬⎫+=+=−&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，其中每个状态的昀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。11111,111111KKKXAXButttTYCXDu⎫=+≤≤+⎬=+⎭&MjKKjKKjjjjjjjjjjTttTtuDXCYuBXAX,1,+≤≤+⎪⎭⎪⎬⎫+=+=−&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。**XAXBuYCXDu⎫=+⎬=+⎭&此方法虽然与方法2、3一样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候，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。1.3.2计算机仿真时如何处理电力电子开关的模型(小结)z精确模型─元件级仿真用，复杂，速度慢z准精确模型─系统级仿真用，相对简单，速度快z平均模型─系统级仿真和辅助分析用，简单，速度极快1.4小结z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。z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。2.电力电子电路仿真软件简介Saber软件主要用于外围电路的仿真模拟，包括SaberSketch和SaberDesigner两部分。SaberSketch用于绘制电路图，而SaberDesigner用于对电路仿真模拟，模拟结果可在SaberScope和DesignProbe中查看。2.1Saber软件简介Saber的特点：z集成度高：从调用画图程序到仿真模拟，可以在一个环境中完成，不用四处切换工作环境。z完整的图形查看功能：Saber提供了SaberScope和DesignProbe来查看仿真结果，而SaberScope功能更加强大。z各种完整的高级仿真：可进行偏置点分析、DC分析、AC分析、瞬态分析、温度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等。z模块化和层次化：可将一部分电路块创建成一个符号表示，用于层次设计，并可对子电路和整体电路仿真模拟。z模拟行为模型：对电路在实际应用中可能遇到的情况，如温度变化及各部件参数漂移等，进行仿真模拟。SABER在控制系统仿真的优势和制约z优势：SABER作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。z制约：不支持离散系统的频域分析，以及状态方程的分析方法。2.2MATLAB简介MATLAB环境是1980年由美国的CleveMoler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。该公司于1984年推出MATLAB，1988年3.0版，1992年4.0版，1997年5.0版，2000年6.0版，2001年6.5版，昀新版本为7.0以上版本。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也越来越强大，因此已成为电力电子电路仿真的重要工具。2.2.1MATLAB组成zMATLAB环境MATLAB（MATrixLABoratory）是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的需求。zSIMULINK环境可视化图形建模与仿真MATLAB的5个部分zDevelopmentEnvironment：ThisisthesetoftoolsandfacilitiesthathelpyouuseMATLABfunctionsandfiles.zTheMATLABMathematicalFunctionLibraryzMATLABLanguagezGraphics：MATLABhasextensivefacilitiesfordisplayingvectorsandmatricesasgraphs,aswellasannotatingandprintingthesegraphs.zTheMATLABApplicationProgramInterface(API)：ThisisalibrarythatallowsyoutowriteCandFortranprogramsthatinteractwithMATLAB.MATLAB语言的特点z矩阵运算z演算纸式的计算语言，解释方式运行z简单易用的作图函数z函数丰富，可扩展性强命令窗口工作空间历史命令当前路径菜单工具栏2.2.2MATLAB的工作环境命令窗口CommandWindows可以执行任何Matlab命令和函数。操作m文件操作mdl文件运行程序报错信息程序编辑/调试器Debugger由菜单/新建或打开*.m文件建立、编辑、存储m文件运行程序调试设置断点取消断点单步运行进入函数跳出函数退出运行指运行MATLAB的程序或命令所生成的所有变量和常量的空间查看whos保存文件save调入变量load查看变量删除变量工作空间Workspace可以进行绘制曲线、显示文本、填充颜色等操作。用figure命令建立绘图语句如plot图形窗口Figure编辑模态添加文本添加箭头添加线段旋转三维图形帮助系统1、使用普通文本帮助help函数名/文件名%显示相关函数/文件的帮助体lookfor函数名/文件名%显示相关函数/文件的H1行2、使用超文本帮助¾在命令窗口键入doc命令doc函数名/文件名¾选择命令窗口的帮助菜单3.MATLAB用于电力电子电路仿真举例Ud/2Ud/2T1T2rLCi1i0a+++u0+-u1负载Ud/2Ud/2T1T2T3T4rLCi1i0++ba+-u1u0+负载z验证SPWM控制的基本原理z验证闭环控制效果z作为分析和验证的辅助工具（a）半桥逆变电路（b）全桥逆变电路3.1MATLAB环境下PWM逆变电源的仿真3.2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