1、电力电子系统建模与仿真电力电子系统建模与仿真Model building and simulations for power electronic systempSchool of Electrical EngineeringpDalian University of Technology p牟宪民牟宪民pSpring Term,2011123Contents(Outline)p绪论绪论(Introduction)p电力电子系统部件电力电子系统部件(device,component)的建模的建模p电力电子装置的建模电力电子装置的建模(model building)p数值仿真数值仿真(numer
2、ical simulation)原理简介原理简介p仿真实践仿真实践4一、绪论一、绪论(Introduction)p教材与参考书教材与参考书p课程任务、性质、要求课程任务、性质、要求p仿真的基本概念仿真的基本概念p电力电子电路的建模与仿真电力电子电路的建模与仿真p仿真工具概述仿真工具概述p电力电子电路仿真的特殊性困难性电力电子电路仿真的特殊性困难性51 朱桂萍，陈建业朱桂萍，陈建业.电力电子电路的计算机仿真，第电力电子电路的计算机仿真，第1版，版，第第2版版.清华大学出版社。清华大学出版社。2008，TM7-43 Z844-2。2 PSIM User Manual，电子版，电子版。3 PSIM
3、网站：网站：http:/ 王兆安，黄俊王兆安，黄俊.电力电子技术，第四版电力电子技术，第四版.机械工业出版社机械工业出版社.2000。TN3-43 H845-4。5 李传琦，电力电子技术计算机仿真实验，电子工业出版李传琦，电力电子技术计算机仿真实验，电子工业出版 社，社，2006。73.6 L313A 6 徐德鸿徐德鸿.电力电子系统建模及控制电力电子系统建模及控制，机械工业出版社，机械工业出版社，2006。73.1 X632A 教材与参考书列表（教材与参考书列表（textbook list)61 朱桂萍，陈建业朱桂萍，陈建业.电力电子电路的计算机仿真，第电力电子电路的计算机仿真，第1版，版，第
4、第2版版.清华大学出版社。清华大学出版社。2008，TM7-43 Z844-2。2 PSIM User Manual，电子版，电子版。3 PSIM 网站：网站：http:/ 王兆安，黄俊王兆安，黄俊.电力电子技术，第四版电力电子技术，第四版.机械工业出版社机械工业出版社.2000。TN3-43 H845-4。5 李传琦，电力电子技术计算机仿真实验，电子工业出版李传琦，电力电子技术计算机仿真实验，电子工业出版 社，社，2006。73.6 L313A 6 徐德鸿徐德鸿.电力电子系统建模及控制电力电子系统建模及控制，机械工业出版社，机械工业出版社，2006。73.1 X632A 教材与参考书列表（教
5、材与参考书列表（textbook list)7课程目的、性质、要求课程目的、性质、要求1 目的目的(purpose)（1）掌握仿真的基本理论、基本概念和基本方法）掌握仿真的基本理论、基本概念和基本方法（2）掌握一种电力电子系统仿真工具的使用方法）掌握一种电力电子系统仿真工具的使用方法（3）加深对电力电子技术原理的理解，增强应用能力）加深对电力电子技术原理的理解，增强应用能力 2 性质性质(property)选修课、理论结合实践、实践性强选修课、理论结合实践、实践性强3 要求要求(requirement)理论课（理论课（16学时）：听课、自学、复习学时）：听课、自学、复习 实践课（实践课（12学
6、时）：完成指定的仿真任务学时）：完成指定的仿真任务 成成 绩：各占绩：各占50%4 先修课：电力电子技术、电路理论、工程软件应用。先修课：电力电子技术、电路理论、工程软件应用。8系统仿真的基本概念仿真的定义系统仿真的基本概念仿真的定义 系统仿真系统仿真：以相似性原理、系统技术、信息技术以及：以相似性原理、系统技术、信息技术以及应用领域的相关专业技术为基础，以计算机、仿真器和各应用领域的相关专业技术为基础，以计算机、仿真器和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合技术。想的系统进行动态研究的一门多
7、学科的综合技术。9系统模型：对实际系统的一种抽象，是对系统系统模型：对实际系统的一种抽象，是对系统本质本质的描述，是人的描述，是人们对客观世界反复认识、分析，经过多级转换、整合等类似过程们对客观世界反复认识、分析，经过多级转换、整合等类似过程而形成的最终结果。模型具有与实际系统而形成的最终结果。模型具有与实际系统相似的数学描述或物理相似的数学描述或物理属性属性。模型与原型的关系分类：模型与原型的关系分类：1）形象模型：保留原型的外部特征，仅对实际系统的规模进）形象模型：保留原型的外部特征，仅对实际系统的规模进行放大或缩小。行放大或缩小。2）模拟模型：又称类比模型，根据描述不同物理系统的物理）模
8、拟模型：又称类比模型，根据描述不同物理系统的物理规律之间的相似性，建立物理意义完全不同的类比模型。规律之间的相似性，建立物理意义完全不同的类比模型。系统仿真的基本概念系统模型系统仿真的基本概念系统模型10机械系统机械系统系统仿真的基本概念相似性系统仿真的基本概念相似性11eqCdtdqRdtqdL 122机械系统机械系统电气系统电气系统系统仿真的基本概念相似性系统仿真的基本概念相似性思考：举出其它相似性的例子思考：举出其它相似性的例子 12eqCdtdqRdtqdL 122机械系统机械系统电气系统电气系统系统仿真的基本概念相似性系统仿真的基本概念相似性表 机械系统模型和电气系统模型的变量对比1
9、3系统仿真的基本概念相似性系统仿真的基本概念相似性系统仿真模型系统仿真模型：物理模型物理仿真、数学模型数学仿真。：物理模型物理仿真、数学模型数学仿真。物理仿真：物理仿真：飞行器在风洞中的实验。属于物理模型，满足飞行器在风洞中的实验。属于物理模型，满足“环境相环境相似似”的基本原则；缩小了的船舶模型放于水池中进行各种实验，满的基本原则；缩小了的船舶模型放于水池中进行各种实验，满足足“几何相似几何相似”的基本原则；发电站综合调度仿真与培训系统。的基本原则；发电站综合调度仿真与培训系统。优点：效果逼真、精度高。优点：效果逼真、精度高。缺点：造价高、耗时长。缺点：造价高、耗时长。导弹、卫星、发电站等使
10、用物理仿真。导弹、卫星、发电站等使用物理仿真。14数学仿真：数学仿真：仿真与被仿真系统具有相同的数学模型，满足仿真与被仿真系统具有相同的数学模型，满足“性能相似性能相似”的基本原则。用适当的方法求解数学模型。的基本原则。用适当的方法求解数学模型。优点：方便灵活、造价低。优点：方便灵活、造价低。缺点：可行性取决于数学模型及其求解方法，对建模技术要求很高。缺点：可行性取决于数学模型及其求解方法，对建模技术要求很高。系统仿真的基本概念相似性系统仿真的基本概念相似性(CON)15系统仿真的基本概念分类方法系统仿真的基本概念分类方法根据仿真系统结构和实现手段分类根据仿真系统结构和实现手段分类（1 1）物
11、理仿真。采用硬件结构，使之重现系统各种状态，避免昂贵）物理仿真。采用硬件结构，使之重现系统各种状态，避免昂贵 原型。实物仿真、半实物仿真、实时仿真、在线仿真。原型。实物仿真、半实物仿真、实时仿真、在线仿真。（2 2）数学仿真。实际系统全部用数学模型代替。数字仿真、模拟仿）数学仿真。实际系统全部用数学模型代替。数字仿真、模拟仿 真、非实时仿真、离线仿真。真、非实时仿真、离线仿真。（3 3）半实物仿真。）半实物仿真。（4 4）人在回路中仿真。人的感觉环境的仿真技术，视觉、听觉、）人在回路中仿真。人的感觉环境的仿真技术，视觉、听觉、动感等。动感等。16系统仿真的基本概念分类方法系统仿真的基本概念分类
12、方法(CON)根据计算机类型分类根据计算机类型分类一、模拟仿真：采用模拟计算机求解数学模型。一、模拟仿真：采用模拟计算机求解数学模型。17系统仿真的基本概念分类方法（系统仿真的基本概念分类方法（CON）模拟仿真的特点：模拟仿真的特点：（1 1）描述连续系统的动态过程自然而逼真。）描述连续系统的动态过程自然而逼真。（2 2）速度快，失真小、结果可信度高。）速度快，失真小、结果可信度高。（3 3）受元件性能影响，仿真精度较低。）受元件性能影响，仿真精度较低。（4 4）对计算机采样控制系统仿真比较困难。）对计算机采样控制系统仿真比较困难。（5 5）自动化程度低。）自动化程度低。18系统仿真的基本概念
13、分类方法（系统仿真的基本概念分类方法（CON）二、数字仿真：采用数字计算机求解数学模型。二、数字仿真：采用数字计算机求解数学模型。特点：特点：（1 1）精度较高。）精度较高。（2 2）对计算机控制系统的仿真比较方便。）对计算机控制系统的仿真比较方便。（3 3）自动化程度高，便于实现显示、打印等功能。）自动化程度高，便于实现显示、打印等功能。（4 4）速度低，影响仿真结果的可信度。）速度低，影响仿真结果的可信度。（5 5）简便、快捷、成本低。）简便、快捷、成本低。19系统仿真的基本概念分类方法（系统仿真的基本概念分类方法（CON）数字仿真基本内容：数字仿真基本内容：20系统仿真的基本概念分类方法
14、（系统仿真的基本概念分类方法（CON）三、混合仿真：综合模拟仿真和数字仿真的特点。三、混合仿真：综合模拟仿真和数字仿真的特点。四、全数字仿真：用于计算机控制系统的仿真。四、全数字仿真：用于计算机控制系统的仿真。五、分布式数字仿真：借助互联网技术。五、分布式数字仿真：借助互联网技术。全数字仿真原理图全数字仿真原理图21系统仿真的基本概念分类方法（系统仿真的基本概念分类方法（CON）根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类（1 1）实时仿真。两种时钟完全一致。）实时仿真。两种时钟完全一致。（2 2）欠实时仿真。仿真时钟慢。）欠实时仿真。仿真时钟慢。（3 3）超实时仿
15、真。快。）超实时仿真。快。22数学建模步骤与重要性数学建模步骤与重要性（1 1）层次分解：抽取研究对象中与研究目的相关的物理规律，）层次分解：抽取研究对象中与研究目的相关的物理规律，简化成集总模型。简化成集总模型。（2 2）数学建模：建立数学方程，微分、差分、代数。）数学建模：建立数学方程，微分、差分、代数。（3 3）模型转换：即编程。）模型转换：即编程。（4 4）参数估计：根据实际系统决定未确定的系数。）参数估计：根据实际系统决定未确定的系数。（5 5）可信度检验：验证模型的正确性。）可信度检验：验证模型的正确性。23电力电子系统的建模与仿真电力电子系统的建模与仿真（1 1）电力电子技术：利
16、用功率半导体器件的开关作用控制电功）电力电子技术：利用功率半导体器件的开关作用控制电功 率的流动，从而实现对电能的变换与控制。应用范围极其广泛。率的流动，从而实现对电能的变换与控制。应用范围极其广泛。（2 2）建模方法：数学建模。）建模方法：数学建模。（3 3）仿真方法：数学仿真数字仿真。）仿真方法：数学仿真数字仿真。24分层次的概念分层次的概念25分层次的概念分层次的概念26NoImage分层次的概念分层次的概念27分层次的概念分层次的概念mgkxdtdxfdtxdm 2228分层次的概念分层次的概念NoImage29分层次的概念分层次的概念NoImage30分层次的概念分层次的概念31分层
17、次的概念分层次的概念NoImage32分层次的概念分层次的概念NoImage33分层次的概念分层次的概念NoImage34数字仿真原理数字仿真原理（1）根据分析目的，建立实际系统）根据分析目的，建立实际系统的简化分析模型。的简化分析模型。（2）根据物理定律，列写待求问题）根据物理定律，列写待求问题的数学方程，状态方程或非线性代的数学方程，状态方程或非线性代数方程。数方程。（3）用数值积分求解状态方程。）用数值积分求解状态方程。35NoImage电力电子电路建模目的电力电子电路建模目的 p更好理解电力电子系统的物理特性 p控制系统设计的需要 p电路设计和分析的需要 p计算机仿真分析 36电力电子
18、电路建模与仿真分类示意图电力电子电路建模与仿真分类示意图37仿真工具简介仿真工具简介1 Pspice(Power simulation program with integrated-circuit emphasis）微电子集成电路设计，分析类型多，历史长，国际标准，精微电子集成电路设计，分析类型多，历史长，国际标准，精确的器件模型。采用变步长方法，支持图形输入。收敛性差，确的器件模型。采用变步长方法，支持图形输入。收敛性差，界面不够友好。界面不够友好。OrCAD 和和 Cadence 公司。公司。2 MATLAB (Matrix Lab.)控制系统设计，功能多，应用领域广，有图像、语音、信号
19、控制系统设计，功能多，应用领域广，有图像、语音、信号处理功能。便于复数运算和矩阵运算。有处理功能。便于复数运算和矩阵运算。有Simulink和和m语言方语言方式。画出的电路图可读性差。软件包过于庞大。式。画出的电路图可读性差。软件包过于庞大。3 EMTP(ElectroMagnetic Transients Program)电磁暂态设计，常用于电力系统分析。可以实时改变参数。电磁暂态设计，常用于电力系统分析。可以实时改变参数。38仿真工具简介仿真工具简介(CON)4 SABER Anology 公司、公司、Synopsys公司公司。系统级仿真，支持原理图输。系统级仿真，支持原理图输入，混合信号
20、仿真，支持硬件描述语言仿真，能够与多种数字入，混合信号仿真，支持硬件描述语言仿真，能够与多种数字仿真器连接，电源和机电等复杂系统分析与设计，功能多，但仿真器连接，电源和机电等复杂系统分析与设计，功能多，但使用复杂。使用复杂。5 PSIM(Powersim)电力电子与电气传动设计，含有多种电机、机械负载、功率电力电子与电气传动设计，含有多种电机、机械负载、功率器件模型，支持直接编写器件模型，支持直接编写C语言代码，收敛性极好，速度快，语言代码，收敛性极好，速度快，便于掌握。近似理想化器件模型，分析类型少。便于掌握。近似理想化器件模型，分析类型少。39电力电子电路仿真的特殊性与困难性电力电子电路仿
21、真的特殊性与困难性1 1 电力半导体器件工作在开关状态；电力半导体器件工作在开关状态；2 2 强非线性时变电路，参数和结构都是时变的；强非线性时变电路，参数和结构都是时变的；3 3 模拟量、数字量、离散量并存；模拟量、数字量、离散量并存；4 4 主电路与控制电路并存；主电路与控制电路并存；5 5 参数相差多个数量级；参数相差多个数量级；6 6 变量值相差多个数量级；变量值相差多个数量级；7 7 时间常数相差多个数量级，称为刚性系统或病态系统；时间常数相差多个数量级，称为刚性系统或病态系统；8 8 有时需要考虑杂散参数影响；有时需要考虑杂散参数影响；9 9 包含传感器、控制器、包含传感器、控制器
22、、CPUCPU等；等；10 10 通常还要驱动机械系统，变成复杂的机电系统；通常还要驱动机械系统，变成复杂的机电系统；40电力电子电路仿真的特殊性与困难性电力电子电路仿真的特殊性与困难性1 1 非线性非线性2 2 混合性混合性3 3 系统病态系统病态4 4 器件模型的适用性器件模型的适用性 41Contents(Outline)p绪论绪论(Introduction)p电力电子系统部件电力电子系统部件(device,component)的建模的建模p电力电子装置的建模电力电子装置的建模(model building)p数值仿真数值仿真(numerical simulation)原理简介原理简介p仿真实践仿真实践42
