PSB――基于SIMULINK的一种新型电力系统仿真工具

 1前言统计分析表明，通过适当的仿真能够发现电力系统在产品实现过程中50%的设计错误，因此仿真在产品设计和生产中，起着很重要的作用，可以缩短生产周期，降低生产成本。越是较复杂的仿真工具，越能更实际的反映电路系统，发现的设计错误也越多，对电路设计就越有帮助。SPICE是一种传统的电路仿真软件，它的模型库包括基本电路元件（电阻、电感、电容、独立和可控电源、变压器、传输线），开关和一些半导体装置（二极管、BJT、JFFT、MESFET和MOSFET）等。SPICE主要用于对电子电路和普通电路进行直流、交流、暂态、零极点、失真、灵敏度和噪声等的仿真分析。因为SPICE是采用变步长积分节点法，所以可以对开关电力电子电路进行精确仿真。但是在SPICE的模型库中，没有电机、电路断路器、电涌放电器和晶闸管等电力系统和电力驱动的专用模型，为了对电力系统进行仿真，用户必须利用SPICE中现有的元件来构造所需模型，这样就会费时费力。 开始推出的一种使用简便的工程计算语言，到目前为止的*新版本是MATLAB5.3，它是以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互的工作环境中。在这里可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发等功能。SIMULINK是在MATLAB环境下用于动态建模和仿真应用*广泛的软件包之一。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。现在，SIMULINK的版本己经从1.0发展到3.0，功能更加强大，使用也越来越方便，尤其是从2.0版本开始加了电力系统模块（PSB），在电力系统的仿真中显示了巨大的优越性。PSB采用变步长积分法，可以对非线性、刚性和非连续系统进行非常精确的仿真能够很精确地检测出断点和开关发生的时刻，所以说PSB是对电路包括电力电子装置进行仿真的非常方便的工具。PSB是与MATLAB和SIMULWK兼容的，用户能够很容易的在PSB中建立一个图表，利用SIMULINK中的模块进行组装控制系统，也可以利用MATLAB中提供的数字设计和分析工具。 2电路的建模和状态空间描述在PSB中，电路线性部分的动态描述是通过连续时域状态空间方程来实现的。N个积分器就可以描述一个多输入多输出的N阶线性系统，通过对输入和状态变量的线性组合就得到输出矢量。 在电路中，电感电流和电容电压是状态变量。 由于电力系统中所有的成分都能用这两个量来构造，所以由电感、电容构成的系统是不难得到其状态空间表达式的。例如，一台电机通常包括转子电流、定子电流和磁通量，而对于一个开关装置如晶闸管或者GT0，选择相关的状态变量就不是那么直观，取决于开关的宏观模型。在PSB中，是用一个串联RL电路以及根据不同的开关类型设计的逻辑电路来描述的，在这些模型中电感电流是开关的状态变量。然而开关和电机都是非线性的，除了线性部分可用状态变量表达式以外，它们的模型看起来更象压控电流源。这些电流源的电流作为线性部分的输入。 3基本元件的模型PSB是用来对电力系统和电力驱动进行仿真的，有七类模型可供用户选择（电源、线性和非线性无源元件、三相元件、联接装置、测量装置、电机和电力电子装置）电源包括交流电压（电流）源、直流电压源和可控电压（电流）源。无源元件包括串联和并联的RLC支路、线性和饱和变压器n形截面线和分布式线以及开关和电涌断路器模型。三相元件是其他类模型的组合，给用户提供一个基本三相库，用户也可参照这些模型来建立其他的三相系统。接头和测量装置是用于不同系统间的联接。电机单元包括同步和异步的几种模型。在驱动和电力转换器的仿真中，电力电子装置模型尤其重要，下面着重介绍这一部分。 在电力电子库中包含了二极MOSEFT和理想开关的宏观模型，其中二极管可看作是其他半导体装置的核心模型。基本二极管模型是用一个由Ron、Lon、UF串联支路组成的一阶系统来描述的，代表装置的能量储存并给状态变量，一般取Ln=10H作为缺省值，这个值是兼顾仿真稳定性和计算速度的，同时也适合转换器开关频率在20kHz的大多数场合。Ron表示了半导体的动态阻值，恒压源Uf是正向电压降（结电压降）。为了避免代数环的出现，Lon不能取零，相对而言，在考虑计算稳定性上对Ron和Uf的要求就不是那么苛刻，因此Ron可以设为零；在理想开关和MOSFET的模型中，由于在导通状态下没有结电压降，UF自动设为零。在关断状态，状态变量is和它的微分量dis/dt强制为零。二极管的基本宏模型具有表征其他四种装置基本行为的ON/OFF特点。其实，这几种电力开关管基本宏模型的本质区别在于不同的开关逻辑，因此，基本的电路模型再加上合适的开关逻辑就可以把全部电力电子库的元件描述出来。 由于半导体是高度非线性的电流源，它是通过端点间的电压来驱动的，因此不能与其他半导体模型或电流源支路直接串联，因此必须有一个节点用来给含有电流源的支路提供瞬时电流差的流通回路。传统的缓冲电路（像R~C、或R~C-D、C）与这些装置并联就可以完成这一额外的任务。缓冲电路参数的选择是基于普通标准而取决于装置类型、拓扑结构、功率和操作频率的。选择合适的参数，可避免装置中R-L等效电路与R-C缓冲回路互相作用所引起的内部高频振荡。高频振荡会强制变步长算法适当地缩短计算步长，这样就会延长仿真步长。 PSB的应用实例异步电机，由一个正弦PWM逆变器供电。正弦调制波的频率是50Hz，三角载波的频率是300Hz，图中的PWM逆变器完全由标准SIMULINK模块构成。它的输出通过可控电压源模块联接到异步电机的定子绕组，电机的转子作短路处理。电机的模型比较复杂，既有电气部分，又有机械部分，普通的电机模型，也要有10多个方程、20多个参数组成。在PSB中，电机模型中电气部分是由一个四阶的状态空间模型构成，机械部分是由两阶系统组成。如果自己动手构造模型，不仅费时费力而且要精通电机原理和构造，有了PSB，做仿真就方便多了。仿真波形如所示，其中/s、n和Te分别是转子电流、定子电流、转速和转矩。 电路进行仿真，发现仿真波形是相同的，这就说明了PSB的仿真精度与PSPICE是相同的。 但由于PSB的模型库更强大，界面也更直观，所以与PSPICE相比，有更大的优越性。 5结束语由于现代电力系统的刚性和非线性，就要求仿真工具具有综合性能，而且图形用户界面也成为衡量仿真工具好坏的一个重要部分。PSB能够满足这些要求，并且它能够精确检测出系统断点，因此更适合于含有开关装置电路的仿真分析。PSB的另一个重要优点是可以把SIMULINK标准库里的模型在PSB中组装成新的控制模块。而且PSB库中包含电力电子和电机的模型，因此更适合于对电力系统和电力驱动进行仿真。