基于分离法的实时仿真建模方法研究

发布时间：2020-06-05 21:49

【摘要】：随着电力电子电路的拓扑变得越来越复杂,开关器件越来越多,给建模工作带来了挑战。常用的理想开关建模方法把导通时的开关等效为短路;关断时的开关等效为开路;这种建模方法随着电路开关状态的变化时,其形成的系统矩阵是变参数、变结构的,当电路工作状态发生变化时就需要在程序中实时更新系统矩阵进行迭代计算,计算量较大,因此,研究更加适合于电力电子电路的建模方法是本文的研究重点。本文首先介绍了分离法,也称为VCCS(Voltage Controlled Current Source)建模法,推导了器件建模、状态空间方程离散化、仿真迭代求解流程等三个方面,最后以Buck电路为例,编写C-mex S-Function程序,对模型离线仿真求解,以SPS(Sim Power System)为参照进行结果对比,初步验证分离法建模的正确性。其次以三相逆变器为例,建立了三相逆变器的分离法数学模型,并指出分离法在对三相逆变器建模时的缺陷,开关状态较多,需要反复迭代计算管子电压电流,计算量较大,资源消耗较大,故在分离法建模的基础上提出了对三相逆变器拆分建模的解决方法,以SPS和整体建模输出结果为参考,完成离线仿真,证明拆分建模可有效减少开关状态,减少计算量,优化建模过程。然后以NPC三电平逆变器为例,分析了 NPC的工作原理,再次应用拆分建模的思想建立了 NPC的分离法等效数学模型,完成了离线仿真验证,以SPS仿真结果对比分析,给出了相对误差曲线,证明了在使用分离法对三相逆变器、NPC等具有对称支路结构的电力电子电路建模时,可使用拆分建模的思想来优化分离法建模过程。最后在dSPACE实时仿真平台实现了基于FPGA的三相逆变器整体和拆分建模两种数学模型的硬件在回路仿真实验,使用System Generator中的MCode模块加快了 FPGA的开发过程,对比了两种建模方式的FPGA资源消耗率,进一步证明拆分建模可以减少资源消耗,同时证明分离法可以用于电力电子电路实时仿真建模。
【图文】：

离线仿真,实时仿真

究背景逡逑时仿真已经被广泛应用于电气系统的规划和设计中几十年了，从大规输电线路布局到交通运输电机驱动优化，实时仿真在大量成功的开发了关键作用，在过去的三十年中，计算机技术的快速发展推动了仿真。随着计算机技术成本的降低和性能的提高，仿真工具有更好的能力间内解决日益复杂的问题。此外，数字仿真器的成本也在持续下降，领域以及更多用户使用［１］。逡逑字仿真分为实时仿真和非实时仿真，非实时仿真又称之为离线仿真。仿真都是建立在定步长仿真基础上的［２］，离线仿真中的变步长算法并不仿真［３］，离线仿真没有严格的时间限制，它的计算耗时可以小于也可以钟周期，其目标为尽可能快的获得仿真结果，不能与实际的硬件控制实时仿真则要求计算耗时必须小于仿真时钟周期，具有严格的时间限真实的硬件控制连接进行硬件在回路仿真实验，如图１－１所示。逡逑

硬件在回路仿真

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｈａｒｄｗａｒｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｌｏｏｐ邋ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ逡逑在对电力电子系统进行硬件在回路仿真实验时，最关键的一步就是如何完对电力电子电路的建模问题。国内外有很多的论文对建模方法进行了研究，主有节点分析法，改进的节点分析法（ＭＮＡ）邋［７］，状态空间法［８，９］等。这些方法对的工作状态要求相当严苛，不同的工作状态会产生不同的系统矩阵［１（）］。应用方法建模后，模型很大，计算量较大，例如采用状态空间法，当电力电子电的工作状态发生变化时，状态空间方程就要作相应的变化，而且是整个方程的新。这样的做法在电路中含有较少的开关器件的时候尚能满足实时性的要求，当电路电路拓扑变得复杂庞大，且含有较多的开关器件时，这个时候带来的量将非常的大，我们首先需要对每一种工作状态进行分析，然后在每一次工状态发生变化时更新状态方程［１１］。这样以来开发和仿真效率非常低，对实时仿器也提出了更高的要求。逡逑考虑到ｄＳＰＡＣＥ实时仿真器中的ＦＰＧＡ板卡硬件资源有限，所以需要研宄合适的建模方法，即使在电路拓扑很复杂的情况下，也可以通过优异的建模法法达优，建型最小，足源的要求，从而满足实时
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM743

【参考文献】