电力电子器件、电路建模与计算机仿真分析
计算机仿真软件在“电力电子技术”教学中的应用-精品文档
计算机仿真软件在“电力电子技术”教学中的应用电力电子技术是应用于电力领域，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
目前的电力电子技术实现了从以半控的晶闸管电路为主体向以全控型器件电路为主体的转变，随着电路越来越复杂，教师在实际教学中感觉越来越困难，学生学习也感觉很吃力。
如何使学生学好“电力电子技术”这门重要的专业课程，对积极响应国家培养卓越工程师计划、培养工程应用型人才有非常重要的意义。
因此，将计算机仿真技术引入“电力电子技术”课堂教学中不失为一种好的教学方法。
主要理由有以下三点：一是在枯燥的专业课教学中，学生用掌握计算机仿真软件去验证“电力电子技术”课程中的理论知识，学生通过思考和动手搭建电子器件模型，验证所学的定理和难理解的问题，可以培养他们学习“电力电子技术”这门课程的兴趣；二是将计算机仿真软件和电力电子技术教学融合在一起，可以促使学生养成主动思考的能力，而不是被动接受教师教授的知识点，而且可以将自动化专业独立的课程联系起来，比如“电力电子技术”、“自动化和计算机仿真”等，做到几门课程的知识点融会贯通，促使学生学好相关专业课程；三是能部分或者全部代替传统的实验室教学，可以降低教学成本和节省大量教学资源。
一、MATLAB和PSPIC两种电力电子仿真软件的特点比较目前，在应用较广泛的电力电子仿真软件中，MATLAB和PSPICE是应用较多的两种。
其中，MATLAB的Simulink是为电力电子电路以及电力传动而设计的。
Simulink 全称是Dynamic System Simulation Software，即系统仿真工具箱，[1]是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包，它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统和连续与离散混合系统，可以根据用户的需要方便地为系统建立模型，十分直观，仿真精度高，结果准确。
正是由于Simulink 具有上述优点，它被广泛应用于“电力电子技术”当中。
计算机仿真在电力电子技术中的应用
TK k k+1
TK+1 k+2
t
按图所示的时间序列，列出在第 K 个开关周期中各开关状态对应的状态 方程组：
AX Bu X 1 1 1 1 1 Y1 A1 X 1 D1u1 A X B u X j j j j j Yj C j X j Djuj
为了便于讨论同时也不失去一般性， 我们仍以上述电流连续时 具二个拓扑的升压斩波器为例进行讨论。 此时可以得到，当 t k t t k ,1 时
+ -
Vg
Vg
R C-(c)来自(d)100V
50V
0V 0s V(L:2)
10A
20ms V(Rc:2) Time
40ms
50ms
5A
0A 0s I(L) Time 20ms 40ms 50ms
输入电压为50V, 占空比为0.7时输出电压和电感中电流如上， 显然作为升压斩波器电流此时是连续的。
在电流连续的条件下装置包括二个拓扑，即，此时第 K 个周期 中状态方程可记为： A X Bu X 1 1 1 1 1 Y1 C 1 X 1
jt j K K , j 1
为了便于讨论起见假定在一个开关状态中输入信号维持常量或变 化非常慢仅有小的波动，即 并定义
j (t ) e
A jt
ui () ui
。
A
jt ( t ) e TKmj 1 B j d 而 j
由上述方程可改写为：
X 1 ( t ) 1 ( t ) X 1 (0) 1 ( t )u1 X j ( t ) j ( t ) X j ( 0 ) j ( t )u j
电力电子电路建模与仿真Chap
19
系统仿真的基本概念－分类方法（ CON ）
数字仿真基本内容：
实
数
际 一次模型化 学 二次模型化
系 （系统辨识） 模 （仿真实验）
统
型
计 算 机
结果分析 仿真结果
20
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。 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。
选修课、理论结合实践、实践性强 3 要求(requirement)
理论课（16学时）：听课、自学、复习 实践课（12学时）：完成指定的仿真任务 成 绩：各占50% 4 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：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 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。
73.1 X632A
6
教材与参考书列表（ textbook list)
1 朱桂萍，陈建业. 电力电子电路的计算机仿真，第1版， 第2版. 清华大学出版社。2008，TM7-43 Z844-2 。
2 PSIM User Manual ，电子版。 3 PSIM 网站：/ 4 王兆安，黄俊. 电力电子技术，第四版. 机械工业出版社.
2）模拟模型：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。
10
系统仿真的基本概念－相似性
机械系统
k
m 0
mg
f x
11
系统仿真的基本概念－相似性
电子电路设计与仿真分析
电子电路设计与仿真分析电子电路设计和仿真分析是电子工程领域中最基础和重要的一环。
它们是将电子系统从设计到生产的必经之路，也是确保电子系统性能可靠和稳定的关键环节。
本文将从电子电路设计和仿真分析的基本原理、工具与方法、应用领域等多个方面来探讨这个话题。
一、电子电路设计的基本原理电子电路设计是从电路图理论中抽象出一个数学模型，通过参数的设计和优化，使得电路在特定的输入和输出条件下，能够达到设计的性能要求。
电子电路设计是电子系统设计的重要组成部分，也是电子工程师必须要掌握的基本技能之一。
在电子电路设计中，我们首先需要了解的是电路原理和基本元件。
电路原理指电子元件之间的相互作用和相互连接的规律和规则，可以用基本的电路图符号和关系来简单地表示出来。
电子元件是电路中最基本的组成部分，包括电容器、电感器、电阻器、二极管、三极管等等。
理解电路原理和元件可以为电子电路的设计提供坚实的基础。
其次，我们还需要进行电路参数的计算和优化。
电路参数包括电压、电流、功率、频率等，这些参数的选择和设计对于电路的性能和功能至关重要。
对于不同类型的电路，需要选用不同的电路拓扑结构来实现特定的功能。
例如，在模拟电路中，常见的拓扑结构有共射、共基、共集等，而数字电路中则涉及到逻辑门、触发器、计数器等元件的组合和设计。
最后，我们需要了解如何诊断和调试电路。
在电子电路设计中，往往会遇到电路性能不稳定或者设计有误的情况，这时候就需要进行电路调试和诊断。
交叉比较各个部分的工作参数，查找可能存在的故障，逐渐缩小可疑范围，最终找到问题所在并进行优化解决。
二、电子仿真分析的工具与方法电子仿真分析是一种通过计算机模拟电路运行状态，从而分析电路功能和性能的方法。
电子仿真分析可以不需要实际构建电路，从而避免各种实验中可能会出现的危险和不稳定因素，减少开发成本。
同时，电子仿真分析还可以应用在电路设计的初期和中期，帮助我们顺利地将设计从理论阶段转化为实际阶段，并进行各种参数的优化调整。
基于电器模型的电力系统建模与仿真技术研究
基于电器模型的电力系统建模与仿真技术研究电力系统作为现代社会中不可或缺的基础设施，对于经济发展和人们生活至关重要。
为了保证电网的稳定运行和高效供电，电力系统建模与仿真技术成为重要研究领域。
本文将基于电器模型，探讨电力系统建模与仿真技术的研究现状和发展趋势。
一、电力系统建模技术的研究现状电力系统建模是研究者对电力系统各个组件进行数学描述和参数设置的过程。
在电力系统建模中，电器模型被广泛应用。
电器模型是一种用来描述电力系统各个元件行为的数学模型，包括发电机、变压器、输电线路和负载等。
各种电器模型在电力系统建模中发挥着关键作用。
目前，常用的电器模型包括潮流模型、暂态稳定模型、电磁暂态模型等。
1.1 潮流模型潮流模型是电力系统建模最常用的模型之一。
潮流模型主要用于计算电力系统中各个节点的电压和功率流。
通过建立负荷-节点电压关系矩阵，可以计算得到电力系统中各个节点的电压和功率流分布。
潮流模型在电网规划、设备选型和电网运行等方面有着重要的应用价值。
1.2 暂态稳定模型暂态稳定是指电力系统在受到外界扰动或故障时恢复稳定运行的能力。
暂态稳定模型主要用于分析电力系统在故障后的动态响应情况。
通过建立发电机-节点电压响应和发电机-功率输出关系，可以模拟电力系统在故障发生后的动态响应过程。
暂态稳定模型在电力系统规划和故障分析等方面具有重要意义。
1.3 电磁暂态模型电磁暂态是指电力系统在电力设备的开关操作或故障发生时，由于电磁场的突变而引起的电压和电流的暂时变化。
电磁暂态模型主要用于分析电力系统中各个元件在电磁暂态事件下的动态响应。
通过建立电压和电流的传输方程，可以模拟电磁暂态事件下的电压和电流波形。
电磁暂态模型在电力系统设备选型、绝缘协调和故障分析等方面有着广泛应用。
二、电力系统仿真技术的研究现状电力系统仿真是指通过计算机模拟电力系统在不同操作条件下的行为和性能的过程。
电力系统仿真技术可以帮助研究人员分析和评估电力系统的规划、运行和控制策略。
基于MATLAB的电力系统新型元件的仿真建模及分析
基于MATLAB的电力系统新型元件的仿真建模及分析汤亚芳，施怀瑾，杨赢(贵州工业大学电工学院，贵州贵阳550003)摘要：提出了利用MATLAB来建立用户自定义模型的两种方法，并用方法二建立了新型静止无功补偿器(ASVG)的仿真模型。
对一个含有ASVG勺简单的电力系统进行了仿真分析，取得了满意的仿真结果。
关键词：电力系统；仿真；建模；MATLAB新型静止无功补偿器(ASVG)中图分类号：TM743 TM761 文献标识码：A0引言电力系统动态仿真已成为电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可缺的工具，特别是电力系统新技术的开发研究、新装置设计、参数确定更是需要仿真来进行确认。
目前常用的电力系统的仿真软件有EMTPNETOMACPSASP等。
1998年Mathworks公司推出MATLAB Version 5.2 ，它增加的power system block(PSB) 是针对电力系统而设计的仿真软件模块，它的元件模型比较多，功能也比较全面，目前许多电力系统的研究工作已开始用它作为仿真分析软件，见文献］4］、: 5］。
MATLAB具有较强的开放性，用户可以利用它设计全新的元件(包括元件的图形显示、所需参数、内部算法等)。
2000年MATLAB Version 5.3 推出，PSB得到了一定的完善，本文主要介绍利用MATLAB Version 5.3 来建立新型静止无功补偿器(Advantage static var generator:ASVG)的仿真模型，并对一个含有ASVG的电力系统进行了仿真研究，同时指出了在利用MATLABS行电力系统仿真时应注意的问题。
1在MATLAB^建立电力系统新元件模型的方法在MATLAB^建立电力系统新元件模型可归纳为以下两种方法：(1) 物理建模方法：利用MATLA田SB中固有元件模型(如电阻、电感、，电力电子器件等)构建新元件的物理模型。
模型构建完毕后，可以直接利用Create subsystem "建立模块，并利用Edit mask' 对该模块进行参数设定、模型图形显示的编辑。
电气工程中的电力系统仿真与建模
电气工程中的电力系统仿真与建模在当今高度依赖电力的社会中，电气工程领域的电力系统仿真与建模技术发挥着至关重要的作用。
电力系统作为一个复杂而庞大的体系，其运行的稳定性、可靠性和经济性直接关系到社会的正常运转和人们的生活质量。
为了更好地理解、设计和优化电力系统，仿真与建模成为了不可或缺的工具。
电力系统仿真，简单来说，就是在计算机上模拟电力系统的运行状态和行为。
通过建立数学模型和算法，输入各种参数和条件，如电源的出力、负荷的需求、线路的参数等，来预测系统在不同情况下的性能和响应。
这就好比在虚拟的世界中搭建一个电力系统，然后观察它如何工作，从而为实际的电力系统运行和规划提供参考。
电力系统建模则是仿真的基础。
建模过程需要对电力系统的各个组成部分，如发电机、变压器、输电线路、负荷等，进行精确的数学描述。
这些模型不仅要考虑电气特性，还要考虑机械、热力等方面的影响。
例如，发电机模型需要考虑其电磁暂态过程、机械转动惯量等因素；输电线路模型则要考虑电阻、电感、电容等参数的分布特性。
在建模过程中，准确性和简化性之间需要找到一个平衡。
过于复杂的模型可能导致计算量过大，难以在实际应用中快速得到结果；而过于简化的模型则可能无法准确反映系统的真实特性。
因此，建模者需要根据具体的研究目的和应用场景，选择合适的模型复杂度。
电力系统仿真与建模在电力系统的规划和设计中发挥着重要作用。
在规划新的电力网络时，可以通过仿真来评估不同的线路布局、变电站位置和容量选择等方案的效果。
例如，通过模拟不同负荷增长情况下的系统运行，确定最佳的电网扩展方案，以满足未来的电力需求，同时避免过度投资和资源浪费。
在电力系统的运行和控制方面，仿真与建模同样不可或缺。
实时的仿真可以帮助调度人员预测系统的动态变化，提前采取措施来应对可能出现的故障和异常情况。
例如，当电网中出现短路故障时，通过仿真可以快速评估故障对系统的影响，从而指导继电保护装置的动作，确保系统的安全稳定运行。
第3章 电力电子电路与系统的建模与仿真
求解时可以总体求解，也可以分阶段求解。分阶段求解 可得出三个阶段的解分别是： 阶段I
U 1 U E I 0 D sC (U E / s Li L (t 0 )) (U E / s Li L (t 0 )) / R Cu 2 (t 0 ) I L ( s) I T ( s) s 2 LC sL / R 1 sLCu 2 (t 0 ) U E / s Li L (t 0 ) U ( s ) 2 s 2 LC sL / R 1
3. 等效电路法 在开关变换器中，开关元件的作用是使某一支路以一定 的占空比接通或断开，所以这些元件的电压和电流平均值常 常与电路中另外某条支路的电流或电压的平均值有关。因此 ，这些元件可近似用一个与占空比有关的受控源来代替。 等效电路法就是应用一个载波周期内平均值的概念，把开 关变换器变为一个含有受控源的线性电路，然后用求解线性三端开关器件电路可用图中所示的受控源模 型代替。 iT iL iT iL
则可以得到：
ui U i 0 1
N M 1 k 1 m 0
2
0
im Im(Z imk ) sin kt Re(Z imk ) coskt d (t ) coskt
2
0
im Re(Z imk ) sin kt Im(Z imk ) coskt d (t ) sin kt
对于一个M端非时变线性无源网络，正弦稳态方程式的一般形 式如下： M 1
U ik Z imk I mk ;
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1
2
R4 0.1
一个电路层次的电路模型图
20A
0A
SEL>> -20A I(L3) 400V I(R23)*20
0V
-400V 4.90ms
4.92ms 4.91ms V(R5:2,L4:1) V(TX3:1,C18:1)
4.93ms
4.94ms
4.95ms Time
4.96ms
4.97ms
4.98ms
Mechanical ABAQUS
Reliability CADMP
输入器件产品 各种参数
More automation 自动化流水生产线
输入电路产品 各种参数
Automatic Assembly Line 自动化组装
图1.3.4 Matlab软件界面
3．电力电子系统的综合自动化仿真 这种方法综合各种不同应用软件于一体，使得各个 应用程序在“程序流程控制软件” 的控制下依次进行仿 真，最终得到仿真结果。 优点：使得一个实际中的电力电子系统的分析、设计、 论证、实验、生产以及成本控制等众多流程全部自动化， 使得产品的设计生产周期大大缩短。 缺点：这是一种商业化的控制方法，并不全部适用于科 学研究中。而且由于各个应用程序均出自于不同的软件 公司，因此“程序流程控制软件” 的开发非常困难。
V4 30 0 Vp R20 C18 1.2n V7 10 R19 10k M4 D14 C20 800p
0 R6 V5 10
IRFP460 M1 V1 = 0 V2 = 300 TD = 1u TR = 25n TF = 25n PW = 4u PER = 12u V1 = 0 V2 = -300 TD = 7u TR = 25n TF = 25n PW = 4u PER = 12u
参考文献：
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“电力电子器件电路建模与计算机仿真分析” 讨论区
第一部分 概论
1.1 计算机仿真技术产生的背景和意义
电力电子电路和系统的分析和设计主要有三种途径：
1）实验样机型 2）分析型 3）仿真型
计算机仿真的好处：Fra bibliotek一. 仿真可以节省人力、物力、财力
一个MOSFET仿真模型
1.2.5（b)
一个IGBT仿真模型测试电路
1.2.6（a)
测量和仿真的IGBT的静态特性
1.2.6（b)
测量和仿真的IGBT的动态特性
1.3 电力电子电路的仿真分析方法和手段的进展简介
电力电子系统的仿真就是以计算机为工具，对电力电子 系统进行设计，并在计算机上运行这个设计，输出运行结果， 并对结果进行分析，评价系统的各部分和系统整体的性能和 表现的过程。这个设计可以是结构上的，也可以是参数上的 设计。
2.解析建模仿真方法
解析建模法是指用解析表达式来描述开关电路特性的 建模方法，用解析建模法所得的结果的优点是速度快、直 观明了、精确，可用线性电路和古典控制理论对功率变换 器电路进行稳态和小信号分析。物理概念不清楚。
状态空间平均法（稳态和动态小信号的解析分析，简 单、物理概念清楚，分析精度差）、符号分析法（能够求 出状态变量的纹波表达式）、离散时域建模法（时变的非 线性模型，这种模型即可用于小信号分析又可用于大信号 分析）、传输线模型（高频开关分析）、PFC建模（有源 功率校正）。
•仿真时，可以简化部分电路，从而研究电路中的某一特
定部分，对于实际系统这是不可能的。
三. 借助仿真，可以更有效的工作
• 可以观察到器件和电路在各种条件下的工作性能 • 可以检验处于电路设计初始阶段的各种决策 • 有时计算机仿真是唯一可行或唯一安全的分析和评价技 术 • 借助仿真，可以拥有各种高功率设备和测量仪器仪表 • 计算非线性电路的平均功率、有效值、功率因数等，而
电力电子系统仿真分析方法主要有两种： 1. 个别仿真分析方法 根据具体的需要，自己编制软件，计算和分析模型电路。 优点是针对性强，仿真结果精确、真实。节省仿真时间。 缺点是要求有高水平的数学、建模、电路理论和计算机 编程等能力，仿真程序的通用性较差，不便于推广运用。
2.通用电力电子仿真平台仿真分析方法
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仿真结果
三、器件层面
对电力电子器件的建模也是电力电子系统仿真的一 个重要方面，建立起一个精确的器件模型是非常困难的。 器件模型分为三种： 1.简单模型 2.一般模型 3.精确模型
D
RD V GD G RG C
GD
V DS
JD
C DS
CGS VGS RS S
1.2.5（a)
借助现有的电力电子仿真软件平台进行仿真分析。优 点是在这样的仿真平台上，有各种元器件的模型，用这些 器件的模型可以建立各种各样拓扑结构的电力电子电路， 建立各种电路分析方式（如交流分析、直流分析、暂态分 析等），方便地观测仿真结果，方便地改变电路参数。使 用者只要掌握软件的使用方法，无需理解电路建模原理和 其运算分析方法，不必关心方程的解法，就能得到较满意 的结果。
现代电力电子技术
电力电子器件、电路建模
与计算机仿真分析 李浩昱
教学安排
第一部分 概论 第二部分 电力电子器件及其建模 二极管、GTO、SCR 、MOSFET、IGBT 第三部分 电力电子电路的建模方法
DC-DC电路平均模型、小信号模型
第四部分 电力电子电路仿真平台的介绍和使用
包括：PSpice，Saber，Matlab
图1.3.1 Pspice的仿真界面
图1.3.2 Pspice的仿真结果
(2) Saber 软件
Saber软件十分适用数字—模拟混合电路的仿真分析， 电力电子电路往往正是这样的电路。Saber十分适合电力 电子系统的仿真。Saber包括各种分析技术，它们是：电 子、电力电子、机电、机械、光电、光学、液压控制、系 统离散数字系统等。Saber有包括电力电子器件在内非常 全面的元器件库。Saber可进行的分析有：直流工作点分 析、暂态分析、交流小信号频率响应分析、零极点分析、 频谱分析、参数分析、直流传输分析、统计分析应力分析、 故障分析等。Saber还有硬件描述语言MAST。
50
0
-50 0 -45 -90 -135 -180 10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
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Frequency (rad/sec)
增益和相位波特图
二、电路层面 在这一层次上是对电力电子系统中的主电路的结构进 行建模，在此模型上进行仿真分析用来试验、模拟待实现 电路的电性能，其目的是准确预测电路的性能。 电路的建模分成两大类： 1.电路建模仿真方法 电路建模分析法是属于数字仿真法, 是利用各种各样 的算法对电力电子电路进行数值计算得到某些特性数值解 的方法。数值仿真法可对电路进行全面的分析，在分析和 设计甚至调试中起着重要的作用。
图1.3.3 Saber软件界面
(3) Matlab/Simulink数学计算软件 Matlab（Matrix Laboratory）由Mathworks公司推出的当前 国际上最流行的数学分析软件，是一种以矩阵为基本编程单元 程序设计语言。它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的 数据可视化功能。 由于Matlab有强大的矩阵运算和绘图功能，许多控制界的名 家在自己擅长的专业领域编写了一些具有特殊意义的工具箱 （Toolbox）,如控制工具箱、电力系统工具箱、系统辨识工具 箱、小波信号工具箱、信号处理工具箱等。1992年Mathworks 公司又推出的交互式模型输入与仿真环境Simulink使得Matlab 为控制系统的仿真与CAD应用打开了崭新局面。 利用Simulink的模块的功能，对电力电子系统层面的仿真变得 十分方便和容易。基于Matlab的仿真方法将成为电力电子系 统仿真分析和CAD的重要发展方向。
缺点是仿真结果不够精确，个性化差，仿真时间较
长。
主要有下面的几种软件：
(1) Pspice通用电路仿真软件 Pspice应用改进的节点分析法建立电路 方程（MNA），能进行直流分析（包括直流工 作点、直流转移特性、直流传输曲线、直流 灵敏度分析等），交流分析（包括电路噪声 和失真分析）和大信号暂态分析（包括离散 傅立叶分析）。 Pspice输出内容可包括：直流输出、交流 输出、暂态输出、噪声输出等，也可包括任 意节点的电压、支路电流。输出可采用数据 和曲线形式。
这在硬件电路中是难以实现的
• 能够对电力电子系统的结构和参数进行优化设计 • 进行一些特殊的分析，比如Monte Carlo分析，最优化
分析等
1.2 电力电子电路建模理论和方法的发展概况
现在的电力电子系统的建模和仿真基本上建立 以下三个层面上：
一、系统层面 这一层面是整个电力电子系统的最高层面，主要研究电 力电子系统控制系统的建模和仿真问题，在这一层面主要关 心的是系统调节器的设计和分析，注重系统的稳定性分析和 校正环节的确定等。在这个层面上涉及到的电路和器件大都 是非常简单的模型，系统层面的仿真最主要的目的是确定整 个的电力电子系统的全部设计方案是否合理
次运行实验。
二. 仿真可以实现许多实验不能或难以实现的功能
•
仿真能在各种假定的条件下，甚至是在目前无法实现 的条件下，对电路进行研究。如不管是考虑安全因素还是 成本，实验室里都不宜做的破坏性实验。但是仿真却可以 做各种故障和非正常性的实验。
• 在研究一个系统的方案的初期，可以将影响系统的一
些次要因素去掉，如杂散电容、漏电感等，以免它们对系 统的基本原理和性能产生影响，从而混淆了对系统的正确 理解。但在制作一个实际系统中却作不到这一点。一旦系 统出现异常，有时你甚至不知道问题出自主电路设计问题 还是寄生电路引起的问题；
•进行一次详尽的仿真分析，比制作实际系统和样机
节省大量的经费。而且，制作实际系统需要计算元器件 的定额，但仿真就不用。仿真还能发现系统存在的问题、 确定最优参数，从而增加试验样机一次成功的可能性。