电力电子仿真

电气（5）班鲜龙第1页2020-4-18目录引言……………………………………………………2第1章电力电子仿真软件概述……………………31.1PSpice仿真软件…………………………………………31.2Saber仿真软件…………………………………………41.3PLECS仿真软件………………………………………51.4PSIM仿真软件…………………………………………71.5CASPOC仿真软件…………………………………71.6基于Matlab的Simulink仿真软件……………………8电气（5）班鲜龙第2页2020-4-18引言计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用于电力电子电路(或系统)的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期。可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和试验过程。电气工程电路及其组成的系统主要功能是能源变换、传递过程的控制。要变换的是电力形态，控制方法靠电子线路。电力与电子结合形成了电力电子学科，它是一个较为年轻的学科。也是多学科交叉的边缘学科。电力本质是能源，有相当惯性，控制它的是电子线路，有相当快速性，两者构成系统，尤其形成闭环系统时，用自动控制术语来说属病态系统，意即有不易解决的稳定性方面的问题。这样的系统品质在20世纪80年代中后期有了飞速的提高。究其原因则是借助于计算机仿真技术。电力电子学科近年发展形成了能源电子学科。所谓能源电子学科，除电力电子学科内容外，还应考虑材料、环境、可靠性、管理等方面的问题，才能解决好能源转换问题。由此可见，如此复杂的系统工程，只有充分利用计算机处理综合信息才能迅速得到成效。仿真的必要性、有效性可见一斑。电气（5）班鲜龙第3页2020-4-18第1章电力电子仿真软件概述1.1PSpice仿真软件PSpice是由美国Microsim公司在spice2G版本的基础上升级并用于PC机上的Spice版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自20世纪80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商0RCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品正式并入0RCAD公司的商业EDA系统中。现在使用较多的是PSpice8.0,工作于Windows环境,占用硬盘空间60M左右，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体。但各个部分都各有各的窗口。与传统的spice软件相比，PSpice在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析。最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行仿真，而且能够对数字电路、数模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。PSpice的应用范围很广，电力电子电路的动态仿真仅仅是其应用之一。PSpice的电路元件模型反映实际型号元件的特性，通过对电路方程运算求解，能够仿真电路的细节，特别适合于对电力电子电路中开关暂态过程的描述。它的仿真波形与试验电路的测试结果相电气（5）班鲜龙第4页2020-4-18近，在模拟实际电路的波形方面比较准确，对电路设计有着重要指导意义。虽然PSpice应用越来越广泛，但是也存在着明显的缺点。由于Spice软件原先主要是针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的模型都是针对小功率电子器件的，对于电力电子电路中所用的大功率器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能导致错误的结果。PSpice采用变步长算法，对于周期性开关状态变化的电力电子电路而言，将造成把大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时间的延长，输出数据结构的格式兼容性也不甚理想。PSpice的另一问题是仿真的收敛性问题。对复杂电路进行仿真时，有时数据的准确性较低。另外，在磁性元件的模型方面PSpice也有待加强。1.2saber仿真软件Saber是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品。Analogy公司在机电一体化和电力电子设计、分析方面居世界领先地位，其产品广泛应用于电力、电子、航空、运输、家用电器及军事等领域。与传统仿真软件不同，Saber在结构上采用硬件描述语言（MAST）和单内核混合仿真方案，并对仿真算法进行了改进，使Saber仿真速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。应用工程师在进行系统设计时，建立最精确、最完善的系统仿真模型是至关重要的。电气（5）班鲜龙第5页2020-4-18Saber可同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模数混合信号设备进行仿真。利用Analogy公司开发的Calaversas算法，Saber可以确保同时进行的两个仿真进程都能获得最大效率，而且可以实现两个进程之间的信息交换，并在模拟和数字仿真分析之间实现了无缝联接。Saber适用领域广泛，包括电子学、电力电子学、电机工程、机械工程、电光学、光学、水利、控制系统以及数据采样系统等等。只要仿真对象能够用数学表达式进行描述，Saber就能对其进行系统级仿真。在Saber中，仿真模型可以直接用数学公式和控制关系表达式来描述，而无需采用电子宏模型表达式。因此，Saber可以对复杂的混合系统进行精确的仿真，仿真对象不同系统的仿真结果可以同时获得。为了解决仿真过程中的收敛问题，Saber内部采用5种不同的算法依次对系统进行仿真，一旦其中某一种算法失败，Saber将自动采用下一种算法。通常，仿真精度越高，仿真过程使用的时间也越长。普通的仿真软件都不得不在仿真精度和仿真时间上进行平衡。Saber采用其独特的设计，能够保证在最少的时间内获得最高的仿真精度。Saber工作在SaberDesigner图形界面环境下，能够方便的实现与CadenceDesignSystem、MentorGraphics和Viewlogic的集成。通过上述软件可以直接调用Saber进行仿真。1.3PLECS仿真软件PLECS仿真软件能为系统级电路仿真提供一个与Simulink模型完全无缝的整合。在动力电子系统和电力驱动器的模拟上可以进行简化。另外PLECS工具箱的另外两大特色是：（1）仿真速度比同类电气（5）班鲜龙第6页2020-4-18仿真软件都要快得多；（2）功率半导体元器件理想化。这样，在根本上加快了专业人员的设计时间，降低了成本。PLECS提供了涵盖了电路、电力电子、电气传动等电气系统中常见的基本元件和仿真模型，主要由两大部分组成:内建元件和库元件。内建元件包括:电阻、电感、电容、电流源、电压源、变压器、安培表、伏特表，开关等元件;而库元件则主要有:IGBT、GTO、晶闸管、二极管、双路开关、三路开关、异步电机等的仿真模型。用户也可以根据自己的需求用内建元件来构建所需的电路元件。实际上，PLECS的库元件正是采用内建元件来构成的。PLECS区别于以往传统的模拟仿真应用软件,主要有以下一些显著特点:(1)兼容性好：与Simulink达到无缝结合；(2)高效的编辑原理；(3)开关转换的理想化:A便于操作:一个理想的开关转化，不会让我们担心诸如导通电阻或吸收电容这样的参数问题.通常,我们可能不知道这些数值,特别是系统模拟所可能产生的寄生效应,也是很少被关注的,这样,PLECS元件理想化优势就体现在这里.B稳定性好:在模拟电路的搭建时，使用吸收电路往往使模拟系统复杂性增加,弹性系数也会上升.有些模块通常会要求固定时步模拟或使用弹性系数解算器.而PLECS在没有缓冲器的条件下,就可以让您在Simulink的所有固定时步和可变时步解算器中进行自由选择.C速度快:传统的一些电路模拟程序,转化瞬间的计算十分繁琐.有限斜率强制缩短了程序运行步骤的时间.在PLECS中,这个问题就容易解决.只需要通过理想开关的即时运行就可以实现.每个转化过程只需要两步.在某种程度上大大加电气（5）班鲜龙第7页2020-4-18快了模拟速度.(4)特殊的程序库除了标准的参数如电流电压,有源器件外,PLECS还提供了一些特别的元件.在程序库里,你可以找到很多半导体元器件,如开关,断路器.变流器和三相变压器等等.为了模拟电子驱动,我们在PLECS里还可以找到交流或直流发电机,如感应发电机或永磁同步发电机1.4PSIM仿真软件PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。PSIM仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如，在电机驱动开发领域，控制部分用MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁界解析软件JMAG实现，由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。1.5CASPOC仿真软件CASPOC仿真软件是一个面向电力电子和电气驱动的功能强大的系统级模拟软件。使用CASPOC可以简单快速地建立电力电子、电机、负载和控制量的多级模型。这个多级模型包括交互式电力供应的电路级模型、电机/负载的部件级模型以及控制算法的系统级模型，最后使用CASPOC稳定的求解器快速和精确地仿真，将该模型的时CASPOC工作窗口电气（5）班鲜龙第8页2020-4-18域波形、向量和谐波直观动态地显示出来，从而让用户进行电力电子领域内系统级的设计和分析。CASPOC仿真软件拥有无可争议的仿真速度和稳定性。1.6基于Matlab的Simulink仿真软件Simulink是基于Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括了连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。除此之外，Simulink还支持Stateflow，用来仿真事件驱动过程Simulink是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面，是模块化了的编程工具，它把Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。也可以根据自己的需要设计自己的功能模块，Simulink功能强大，界面友好，是一种很不错的仿真工具。Simulink仿真具有以下的特点：（1）交互建模Simulink提供了大量的功能块，方便用户快速地建立动态系统模型，建模时只需要使用鼠标拖放库中的功能块，并将它们连接起来。用户可以通过将块组成子系统建立多级模型。对块电气（5）班鲜龙第9页2020-4-18和连接的数目没有限制。（2）交互仿真Simulink框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真，或者用命令行进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波器或者图形窗口显示。（3）能够扩充和定制Simulink的开放式结构允许用户扩充仿真环境的功能。（4）与Matlab和工具箱集成由于Simulink可以直接利用Matlab的数学、图形和编程功能，用户可以直接在Simulink下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级设计和分析能力可以通过Simulink的屏蔽手段在仿真过程中执行。（5）专用模型库Simulink的模型库可以通过专用元件集进