文档介绍：计算机仿真在电力电子技术中的应用

序论

引言
电力电子技术是利用功率半导体器件的开关作用控制电功率的流动,从而实现对电能进行变换的技术。作为连接弱电和强电的纽带,电力电子技术为用户提供了一个可以根据需要改变电能的形态,使得电能的应用更加合理和有效的手段,所以其应用范围不断地扩大;从日光灯镇流器、电视机电源等数瓦到数十瓦的家用电器,到数千兆瓦的直流输电系统,电力电子装置的应用已经渗入国民经济的各个领域。据专家估计,目前发达国家所使用电能的75%均经过电力电子技术的变换,在本世纪这个比例更将达到90%以上。随着我国科技产业的发展和对传统电力工业和传动产业降损节能改造的进展,电力电子技术在我国的应用也日益得到普及和推广。
一个典型的电力电子系统通常是由电力电子器件构成的开关装置(执行机构),由模拟电路或数字电路,如计算机构成的控制电路,和由电动机或其他机电设备构成的负荷三部分组合而成。这样一个复杂的非线性的数模混合系统,再加上各个部分往往又遵循不同的物理法则,从而给其设计和分析均带来了巨大的困难。使得传统的利用硬件面包板对设计进行验证的方法变得越来越不可行。而计算机硬件和软件技术的发展,使得只要用户能建立适当而精确的电路模型,就可以利用已知的电路理论和计算方法,在计算机上利用软件建立一个虚拟的电路模型,并对其进行大量且迅速的计算,“仿真”出接近真实的电路结果。这种利用软件面包板的形式对电路设计进行验证的方法可以克服上述硬件试验方法所面临的困难,使得设计人员可以将精力更多地集中在设计层面,从而大大地节省产品开发的费用和缩短开发周期,因此得到电路设计工程师日益广泛的应用。近年来,电子电路设计自动化(EDA:Electronic Design Automation)已经渗入到电子电路设计的各个领域,如:原理图设计,逻辑或模拟电路仿真,设计优化,最坏条件分析,和印刷电路板设计等等。而上个世纪七十年代以来一系列CAD软件的相继推出更为电子电路CAD的推广应用创造了无比良好的条件。与之相适应,电力电子电路的EDA工具也得到了长足的发展。此类工具大体包括:一是在传统的电子电路设计软件中,经过引入新的电力电子器件模型将其应用领域扩展到电力电子系统的设计之中,如为我国电路设计人员所熟知的ORCAD/PSPICE;其次是在专用领域的仿真软件,如电力系统仿真软件EMTP和控制系统仿真软件MATLIB,中加入以理想开关模型为代表的电力电子器件模型,从而使其在原有研究领域中面对采用电力电子装置的问题时仍可进行有效的仿真;最后是开发新的电力电子系统专用仿真软件,如以开关电源设计为目的的SIMPLIS等。总之,在对电力电子系统的开发设计中,计算机仿真已经成为电路设计人员的一个基本的手段。
2建模与仿真
所谓仿真(Simulation)指的是利用模型复现实际系统中发生的本质过程,并且通过对上述模型的实验来研究已存在的或计划中的系统。或换句话说,仿真就是利用模型对实际系统进行实验研究的过程。
在历史上,物理仿真,也即利用缩小的物理模型对系统进行试验是一个广为人知的方法。例如研究电力系统的动态过程时,就往往利用缩小了容量的同步电机,异步电机,变压器,电感,电容等组成的一个模拟系统作为其模型,然后在这个系统上设置各种运行条件和故障进行分析研究。但是上述物理仿真方法存在两个问题,一是系统的建立牵涉到设备购置,安装,接线与调试工作,需耗费大量的人力物力。二是实践中有时由于条件限制很难或不可能进行某种具体试验,比如为了保证核电站的运行安全通常需要对操作人员进行处理各种不可预料行为的培训,但实践中不可能建立一个相应的物理系统来进行模拟。随着计算机技术的发展,就可以利用计算机在虚拟域中建立对象系统的软件模型,并据此对实际系统进行仿真。此时由于系统的建模与试验均是借助于软件进行,从而可以有效地解决上述问题,因此计算机仿真在实际系统的设计研究过程中往往具有不可替代的作用,成为设计工作中不可缺少的步骤而得到日益广泛的关注。比如,在美国1992年推出的22项国家关键技术报告中,计算机仿真被列为第16项;而在1993年推出的21项国防关键技术报告中,更被列为第6项。由此可以见到,在本世纪大力推进和发展计算机仿真技术在科研,设计等领域的应用,对于我国国民经济的发展将起到重要的作用。
根据上述定义,计算机仿真可以分为二个过程:
(1)建模:即根据研究对象的基本物理规律,对物理系统写出描述其运动规律的数学方程,即数学模型,的过程。
由于实际系统十分复杂,往往不可能对其做出无所不包的全部描述。比如实际系统往往是多方面的,电力电子器件本身的特性就包括其电特性,热特性,以及机械特性等不同的方面,对由其构成的系统进行研究时既没有必要也不可能建立一个包括上述全部特性的统一的