电源仿真（精选8篇）
电源仿真 篇1
高等职业技术学院培养的学生应是生产、经营、管理、服务一线的既已掌握一定的科学知识, 又具有较强的动手能力的技能型的复合性人才, 因此, 高等职业技术院校必须拓宽思路, 在实施素质教育的同时, 应以技能教育为本, 以社会需求为导向, 合理调整各课程内容, 理论与实践教学的学时数。而电子技术是一门理论深, 实践性强的课程, 实验实训在教学中占有非常重要的地位, 教师在教学过程中, 由于条件限制或主观认识不够, 实验实训开设不足的现象较为普遍, 成为制约教学质量提高的主要因素, 因此要想真正地提高教学质量, 培养学生热爱专业, 提高学习兴趣, 并具有一定的操作技能的实用人才, 必须重视实践性教学, 尤其是重视仿真实验实训。
如何保证实验实训的质量, 教师对实验实训的认识和准备至关重要, 如果教师没有做好细致的实验实训准备工作, 包括没有掌握实验实训的目的、要求, 以及实验实训前的准备, 例如实验实训器材、仪器仪表的准备、检查、校正等, 会造成学生实验目的不明确, 手忙脚乱、实验误差大, 以致使学生对书本上的结论产生怀疑, 不能使实验起到配合理论教学的作用, 会造成实训效果差。笔者就个人的经验, 对如何开好实验实训谈些体会。
随着社会的不断进步, 在现实的社会中开关电源的发展非常快, 开关电源电路是在各大电子产品中的应用得非常广泛。虽然开关电源电路在各大电子产品中应用得非常的广泛, 但是对开关电源电路的输出稳压性能、输入功率与输出功率之间关系的研究不是很彻底, 开关电源功率变换电路和控制电路的非线性、时变性使得开关电源的稳定性分析与设计比线性电路更为复杂。控制系统的稳定与否, 对电源输出的稳压精度及整个开关电源的系统能否正常可靠的工作都具有很重要的影响。
我们常把稳压电源分成两类:线性稳压电源和开关稳压电源。开关电源是一种比较新型的电源。开关电源电路的类型有几种, 根据不同的工作模式和连接方式来分, 它们的工作原理就有所不一样。开关电源组成的主要电路是由输入整流滤波电路、输入电磁抗干扰滤波器 (EMI) 、输出整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路等电路组成。开关电源的辅助电路有输出短路保护电路、过流输出保护电路、过压输入保护电路、过压输出保护电路、欠压输入保护电路、欠压输出保护电路等组成。如图:
下如图所示是降压型开关电源的工作原理。其电路由电源E, 开关 (三极管或场效应管) K, 续流二极管D, 储能电感L, 滤波电容C等构成。当开关闭合时, 电源通过开关K、电感L给负载供电, 并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感, 在开关接通后, 电流增大得比较缓慢, 即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后, 开关断开, 由于电感L的自感作用, 将保持电路中的电流不变, 即从左往右继续流。这电流流过负载, 从地线返回, 流到续流二极管D的正极, 经过二极管D, 返回电感L的左端, 从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间, 就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间, 以保持输出电压不变, 这就实现了稳压的目的。
在开关电源的闭环控制系统的分析与设计过程中, 需要进行大量繁琐、复杂的计算, 往往结果也不直观, 而且还会延长开关电源的设计周期。此外, 如果直接利用元器件实验的方法对理论进行验证分析, 也会造成元器件的浪费, 所以, 在实际的设计中, 如果直接利用仿真软件仿真的实验方法对理论进行仿真验证分析就会减少元器件的浪费。
在现实中常用的仿真分析软件有美国Cadence公司的Orcad、加拿大IIT公司的EWB、澳大利亚Altium公司PROTEL等。
美国Cadence公司的Orcad软件, 是世界上应用最广的EDA软件之一, 软件功能强大, 而且它的界面友好、直观, 在国外使用广泛, 欧美地区有相当数量的电子工程师都在使用它。随着我国电子行业飞速发展, 使用Orcad软件的用户呈逐年增长的趋势。从早期版本工作于DOS环境的Orcad4.0, 发展到现在最新的Orcad10.5, Orcad软件集成了电原理图绘制、印制电路板设计、数字/模拟电路仿真、可编程逻辑器件设计等等功能, 它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的, 在世界上它一直是EDA软件的首选。Cadence公司已成为世界上最强大的开发EDA软件的公司之一。Orcad软件系统中主要包括:Orcad/Capture CIS (电路图设计) ;Orcad/Pspice A/D (数/模混合模拟) ;Orcad/Layout Plus (PCB设计) 等, 其中每一个部分可以根据需要单独使用, 又可以共同组成完整的EDA系统。
Orcad电子电路全功能模拟测试仿真软件, 是一套完整的系统设计工具, 其强大功能包含:
元器件编辑、选取、放置;电路图编辑、绘制;
电路工作状况测试;电路特性分析;
电路图报表输出打印;档案转入/出;PCB文件转换功能;
结合SPICE、VHDL、Verilog共同仿真;高阶RF设计功能;
虚拟仪器测试及分析功能;计划及团队设计功能;
VHDL及Verilog设计与仿真;FPGA/CPLD组件合成。
在当今的社会中随着科学技术的飞速发展, “计算机仿真技术”已成为许多设计部门一个重要的前期设计手段。它具有设计灵活、结果和过程的统一的特点, 可以缩短设计的时间、减少了消耗的资金, 也可以降低工程制造的风险。相信在未来的单片机开发应用中Orcad软件也将会获得越来越广泛的应用。
对于使用Orcad软件对各种单片机系统进行的仿真设计是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用, 它不仅有利于培养我们在电路设计的能力还可以加强我们对仿真软件的操作能力。以往在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中, 使用Orcad软件的开发环境对我们大学生进行培训, 它可以在不需要过多的硬件投入条件下, 学生都能普遍反映出对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受, 更容易提高。通过以往的实践可以证明在使用Orcad软件进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作, 能极大提高单片机系统设计效率。因此在教学中, Orcad软件具有较高的利用价值。
参考文献
[1]DonBox, KeithBrown, TimEwald, 等.Effective COM[M].余蒲澜, 译.北京:中国电力出版社, 2003.
[2]薛定宇, 陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社, 2002.
[3]李伯虎, 卿杜政, 孙磊, 等.基于组件的一体化建模仿真环境 (CISE) 研究[J].系统仿真学报, 2008, 4.
电源仿真 篇2
【摘 要】开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。针对传统的硬开关电源开关损耗大、工作频率低的问题，提出了一种ZVT-PWM BOOST变换器，通过采用辅助开关T1和谐振电路使主开关在零电压下启动，降低开关损耗，提高开关频率。设计过程中通过MATLAB/Simulink软件对主电路进行仿真，调整优化相关的参数，得到理想的输出电压波形图，仿真结果表明该设计的可行性和正确性。
【关键词】开关电源；ZVT-PWM；软开关；MATLAB
【Abstract】Switching power supply with respect to linear power supply efficiency， size， weight， and other advantages， especially high-frequency switching power supplies are getting lighter， smaller， more efficient， and more reliable， which makes high-frequency switching power supplies has become the most widely used power. This design for the traditional hard switch power switch problem of low loss， high operating frequency， ZVT-PWM BOOST converter is proposed， through the use of auxiliary switch T1 and resonant circuit main switch start at zero voltage， reduce the switching losses， increase switching frequencies.Design process simulation by MATLAB/Simulink software for primary circuit， adjust parameters to obtain the desired output waveform， the analysis of the matlab results proves the its feasibility and validity .
【Key words】Switching power supply；ZVT-PWM；soft switch；MATLAB
1.绪论
在电力电子器件中，磁性元件占总体的质量和体积的比例最大，如变压器、电感器、电容等。在硬开关的状态下，开关的损耗和频率成正比，开关频率增大，开关的损耗也会随之增大，电磁的干扰强度增加。引入辅助谐振电路，使主开关管在ZVT状态下开通，在ZVS状态下关断，有效降低开关的损耗和噪声，减小电磁干扰。
软开关技术的目的就是要实现开关管的软开通和软关断，软开通就是利用谐振电路，使得开关导通前，开关两端的电压先降为零，电流再慢慢升为导通值，避免了电的交叠，很大幅度的减小了开通损耗。另外寄生电容中的能量也可以通过辅助电路耗散，避免了容性开通问题。软关断就是利用谐振电路，先把电流降为零，电压在慢慢升到断态值，同样避免了电流电压的交叠，减小了关断损耗，降低了感性关断带来的影响。
为了提高电源转换效率，降低电源电路本身对能量的损耗，本文从软开关技术入手，以ZVT-PWM BOOST变换器作为分析对象，运用MATLABsimulink 仿真软件设计一个高效率的开关电源。
2.ZVT-PWM BOOST变换器基本原理与特性分析
2.1 ZVT-PWM BOOST变换器基本原理
零电压转换PWM电路的基本思路是给主开关并联一个缓冲电容，限制主开关导通时的电压上升率。在主开关导通前，要将缓冲电容的电压降。到零，从而实现主开关的零电压开通。要使缓冲电容释放电荷，需要添加一个辅助电路，先于主开关前导通。
零电压转换PWM BOOST电路的原理如图1所示。在基本的BOOST变换器电路基础上，加入了电感Lr、电容Cr、辅助开关T1、辅助二极管D2。形成的辅助谐振电路与主开关管T并联，构成零电压PWM开关基本拓扑电路。
在分析中，假设电路中的原件都为理想原件，忽略元件与线路中的损耗。电感L足够大，因此可以忽略电流波动，在一个开关周期中认为为恒值；电容C也很大，因此在一个开关中期中认为输出电压为恒值。
在ZVT-PWM BOOST电路中，辅助开关先开通，而主开关T开通后辅助开关就关断了。谐振电路的震荡过程都是集中于开关T导通前后的时间段。
下面分阶段介绍变换器的工作过程，其主要波形如图2所示：
以前，开关T、均处于断态，升压二极管D导通，此时由输出电容C给负载供电，有，。
期间：时刻，导通，T处于断态，由于此时二极管D仍然处于通态，电感两端的电压变为，电流按线性迅速增长，电流以同样的速度线性下降。直到时刻，上升到，下降到零使得二极管D自然关断。在实际电路结构中，会出现二极管反向恢复的问题，其原因是二极管的结电荷需要时间来进行放电。
期间：与组成谐振回路，由于L很大，忽略谐振过程中其电流变化。谐振过程中的电流增加，中的电压下降，时刻=0，开关T的反并联二极管导通，被钳位于零，而电流上升到最大值并保持不变。
期间：在该阶段开始时，被钳位于零，电感上的电压为零，因此电流自由轮回，电流保持不变，这种状态一直保持T的零电压开通开通。
期间：在时刻，UC3842A/B检测到T的漏极电压为零，T在零电压状态下开通，所以没有开关损耗。T开通的同使关断，线性下降，中的能量通过向负载传送，而主开关T中的电流线性上升。在t4时刻，刚好下降到零使得二极管关断，主开关中的电流上升到，电路进入正常导通状态。
期间：在时刻，中的电流下降到零，实际电路中与正极节点上的电容发生谐振。在时刻T关断，T关断时电压会升上升，有效限制了其电压上升率，降低了关断损耗。
期间：T关断后，电源给充电，线性上升。直到时刻上升到，主二极管D导通并开始向负载传送能量，到时刻介绍并进入下一个开关周期。
2.2 变换器损耗分析
对于一般的硬开关转换器，开关导通时会产生电流与电压交叠，形成开通损耗。此外开关管存在寄生电容，其在放电过程中会产生容性开通损耗。而在改进的零电压转换电路中，主开关管是在零电压状态下开通，因此不存在硬开关导通时的两种开通损耗。传统的硬开关变换器，关断过程中同样存在电流下降的延迟和电压上升的过快形成交叠，存在关断损耗。而在改进的零电压转换变换器电路中，开关管两端并联的谐振电容，有效降低开关器件关断后的电压上升率，所以功率开关的关断损耗很小。零电压PWM变换器拓扑实现开关管的零电压开通和零电流关断，还实现了二极管的软关断，消除了开关管的开通损耗，并且降低了开关管和二极管的关断损耗。但是，通过加入辅助谐振电路开关损耗的同时，也增加了辅助谐振电路的通态损耗和开关损耗。因此只有权衡总损耗是否有效的被降低，软开关带来的作用才有实际意义。
2.2.1开关管的开关损耗
MOSFET的开关损耗主要由两个方面引起的，一个是容性开通损耗，另一个是电压和电流的交叠损耗。由于场效应管的漏源电容很大，而且导通时并联的电容中储存得有能量，并耗散到N沟道中，产生容性开通损耗。
2.2.3电路中辅助换流网络带来的损耗
辅助开关的开关损耗
辅助开关有效的降低了主开关的开关损耗，实现主开关的零电压启动，但是辅助管的开断却是硬性的，存在开通损耗。另外辅助开关一般不并联吸收电容，因此不应忽略其关断损耗。
辅助电路可以去除主开关管的开通损耗，然而却带来了辅助换流电路的其他损耗。因此设计电路元件参数时，需要保证主开关损耗小于辅助换流电路的损耗，才能达到提高电路的总效率的效果，软开关电路才具有实际意义。
根据初步分析，可用知道谐振电容的增大会使辅助电路的总损耗增加，因此选择谐振电容值时不宜过大，另外谐振电感的值也影响辅助换流电路的损耗大小。电感的值越高，输出纹波电流越小，相反纹波电流就越大，由于纹波电流是磁芯损耗的决定因素。因此在设计时，电感应取合适的值，而电容的取值应尽可能小。
3.主电路参数设计3.2 输出滤波电容C设计
设计输出电压的纹波小于200mV，另外决定输出滤波电容大小因素是其输出保持时间。现主要考虑保持时间，且输出的电流不小于3A，则滤波电容C可由下式求出：
5.结论
根据仿真波形得出以下几点结论：
5.1由波形图可以看出，仿真结果与理论相符合，但也有部分细小区别，比如仿真输出电压比理论输出电压偏高。
5.2对比第3、4、5和8个波形图中可以看出，在导通时呈线性上升，二极管D中电流线性下降，一段时间后，二极管电流下降到零。谐振电感与电容发生谐振，电容释放能量，电感电流继续上升，直到电容变为零。可以看出，此时主开关管两端的电压为零，主开关管启动时是在零电压状态下启动。且主开关电流上升较软，电路开通损耗近似为零。
5.3从辅助开关的波形可以看出，辅助开关的通断都在硬开关状态下，存在开关损耗，对电路的转换效率存在影响。因此本次设计仍然有需要改进的地方，以使辅助开关同样实现软开关。
5.4输出电压比理想电压偏高，初步分析其原因在于，谐振电感上的能量通过传输到负载端，使得输出端的电压相对偏高。其次，整个电路设计的带载能力有待提高。
参考文献：
[1] D. K. Min Direct digital Current Control of a Three-phase PWM Converter Based on a New Control Model with a Delay and SVPWM Effects. Annual Conference of the IEEE Industry Electronics Society， 1998，2：774-779.
[2] 刘胜利.现代高频外关电源实用技术[M].北京电子工业出版社.2001.9月356-369.
[3] Yoon-Ho Kim Member IEEE， Yun-Bok Kim， Yong-Hyun Cho. A High Performance ZVT-PWM Boost Rectifierwith Soft Switched Auxiliary Switch.2008 IEEE.798-801.
[4] 杨旭，王兆安.零电压过渡PWM 软开关电路损耗的计算[J].电力电子技术，1999，1：29-32.
[5] 刘万强，张代润，黄念慈.全软开关Boost ZVT-PWM变换器[J].四川大学学报（工程科学版），2002，32（3）：24-26.
[6] Kwang-Hwa Liu and Fred C.Y.Lee，“Zero-VoltageSwitching Technique in DC/DC Converters，” IEEE Trans. on P.E.， vol. 5，No.3， pp.293-304，July 1990.
[7] Guichao Hua and Fred C.Lee，“Soft-Switching Techniques in PWM Converters，”IEEE IECON，1993，pp.637-643.
基于OrCAD的开关电源仿真 篇3
关键词：OrCAD,开关电源,仿真
1、OrCAD 9.2软件简介
Cadence公司的OrCAD 9.2软件无论是原理图绘制工具、Pspice仿真工具还是PCB设计工具, 都是采用国际工业标准, 与国际接轨。
OrCAD软件系统中的每一部分都是相对独立的模块, 可以根据需要单独使用, 相互之间又有内在联系, 共同构成一个完整的CAD系统, 由设计项目实施统一管理。用户不必花过多的时间来考虑各个软件的调用, 设计数据格式和交换方式, 可以将主要精力放在电子线路设计本身。
OrCAD 9.2软件系统三个模块的功能与特点:
(1) OrCAD Capture CIS。这是一个功能强大的电路原理图设计模块, 除了可以生成各类模拟电路、数字电路和数模混合电路的原理图外, 还配有元器件信息系统CIS (Component Information System) , 可以对元器件的调用实施高效管理。该软件还具有I C A (I n t e r n e t Component Assitant) 功能, 可以在设计电路图的过程中从Internet的元器件数据库中查阅、调用上百万种元器件。它是一个完全基于Windows环境的原理图输入软件, 兼容Windows标准。可以说, Capture强大的功能和易于使用的特点使其已成为原理图输入的工业标准。
(2) OrCAD Pspice。这是一个通用的电路模块模拟仿真模块, 除了可以对模拟电路、数字电路和数模混合电路进行模拟仿真外, 还具有对电路优化设计的功能。该软件中的Probe模块, 不但可以在模拟仿真结束后显示结果信号的波形, 而且可以对波形进行各种运算处理, 包括提取电路特性参数, 分析电路特性参数与器件参数的关系等。
(3) O r C A DLayout plus。这是一个印制电路板 (P C B) 的设计模块, 可直接将OrCAD Capture生成的电路图通过手动或自动布局布线方式转化为PCB设计。在P C B设计中, 采用的层次可达3 0层, 布局分辨率为1μm, 放置元器件的旋转角度可精确到 (1/60) °。完成PCB设计后, 可设计成三维显示模型, 也可直接生成GeRber光绘文件。
2、基于OrCAD的开关电源仿真
开关电源主要由主回路和控制回路两大部分组成, 主回路是将交流电网的电能传递给负载的回路, 控制回路是按输入输出条件控制主回路的工作状态的回路, 将控制回路集成化即称为开关电源集成控制器。
开关电源集成控制器多为脉宽调制型 (P W M) , 早期P W M多为电压型, 缺点是瞬态响应不好。电流控制型PWM的性能和功能均优于电压控制型, 国外新生产的电流控制型PWM控制器品种和数量最多, 有完全取代电压控制型的趋势。在高于500k Hz频率下提高变换效率的功更有效办法是采用谐振变换器, 使用零电流和零电压开关技术, 目前, 国外厂家已生产谐振集成控制器使开关电源的工作频率达到1MHz。
开关电源集成控制器的功能决定了开关电源整机使用元器件的多少, 电路设计的复杂程度, 直接影响着开关电源的可靠性及性能。因此, 本节主要介绍利用OrCAD中元件库中已有的开关电源集成控制器模型来构成仿真开关电源的仿真实验。
SG1524B为电压型PWM集成电源控制器。该芯片具有完整的PWM功率控制功能, 输出工作频率大于100k Hz, 集电极和发射极开路输出, 并采用双列直插式16管脚封装, 其结构框图如图1所示。
芯片中包括基准电源, 软启动, 振荡器, 检测与反馈电路, 误差放大器 (E A) , V/W变换, 分频与控制, 双端输出级, 限流保护 (C L) , 防干扰补偿等。
如图2所示为一个采用SG1524B芯片作为控制器的5V 1A单端降压形开关电源典型电路。
该原理图中省略了开关电源交流经整流滤波的环节, 直接拿直流电源作为电源来仿真, 避免了因前端整流而出现功率因数校正问题, 有关功率因数校正的仿真实验将在下一节中做具体介绍。
用OrCAD Pspice A/D查看输出波形如图3所示。
其中:□浅灰色的曲线为输出电压波形;△曲线为为负载R11上的电流波形;◇曲线为电感L1上的电流波形。
电源仿真 篇4
关键词：矿用本安电源,监测设备,Matlab
随着计算机应用技术的提高, 电子电路设计仿真软件被应用到了工业生产的各个领域。Matlab作为电子CAD仿真软件中的一种, 依靠其简洁、直观的特性被广泛应用于电子电路虚拟仿真中。本次电路建模仿真分析是通过Simulink下的各个模块库构建相应的电路模型, 并结合仿真结果为电力电子系统模型数据分析提供了解决方法[1]。
矿用本安电源, 应用于煤矿井下特殊环境中, 需要设计合适的电器参数, 使各电路达到防爆要求。本安电源作为供电设备, 包括主电路、保护电路、备用电源和防爆外壳, 各部分均对矿井安全起着重要作用。该电源可用于含爆炸气体和粉尘的煤矿井下, 拥有AC-DC转换电路、过电流保护电路、抗干扰电路、DC电源转换电路等多部分组成。一般接在井下配电所的127 V照明电路上, 故需要考虑照明电路停电检修时防爆电源的工作情况, 加设锂电池作备用输出直流电源供监测设备应急使用[2]。
1 本安电源的电路结构
鉴于煤矿井下特殊环境, 防爆电路设计是重点。矿用防爆本安电源的组成如图1所示, 分别是变压器降压电路、整流滤波电路、充电电路、电压调节电路、多重限能电路、电源转换电路。来自安全环境的电网 (交流) 电压, 先经电源变压器降压将127 V的交流电变成24 V, 通过在变压器原边或副边绕组并联阻容吸收过电压保护电路, 也可采用并联双向稳压管作为过电压保护电路。然后, 经整流滤波通过相应的整流滤波电路将交流电转化成较平滑的直流电, 由于本安设备对容性要求越低越好, 故在选用电容时, 选择满足要求的容性较小的电容。再经过先行电压调节电路, 改善煤矿井下电压波动时对供电系统带来的不稳定电压。最后经过多重限压限流电路后输出本质安全电压到井下现场设备中[3]。
矿用防爆本安电源的本质安全性能主要依靠多重化输出限能保护电路来保证, 多重化输出限能电路在负载电路或电网供电网络出现故障时, 通过对自身电路的电压、电流保护, 杜绝电路中产生超出安全范围的电火花, 以避免在井下特殊环境所造成的爆炸, 从而实现自身输出的本质安全性[2]。由于矿用防爆本安电源的整个电路被放置在一个满足相关标准要求的防爆外壳内, 只要确保输出满足本质安全要求即可, 而其他部分的防爆性能则由防爆外壳保证。因此, 矿用防爆本安电源的关键是选择一个满足本质安全要求的输出限能保护电路, 而其他部分的电路设计相对较为灵活。
本文通过Matlab, 对输出端滤波电路前后两侧电压、电流波形进行分析比较, 进一步了解电容、电感对去除干扰信号、降低电压冲击的作用。
2 矿用防爆本安电源电路分析
2.1 备用电源电路分析
图2所示为矿用本安电源内部备用电源的接线结构图。为保证煤矿井下在交流电网停电后或井下设备因故障需检修时, 如水文监测、通信转换器等关键性设备供电的可靠, 在本安电源内部必须配置备用电源, 以确保电源能维持正常工作时间不小于2 h[4]。且矿用本安电源输入端127 V交流电通常采用井下照明电输入, 而在井下照明电路检修时, 断电是不可避免的。因此, 备用电源的可靠是依靠备用电池通过充电电路向自身充电来完成的。当井下电网检修或故障停电时, 备用电源侧接入, 完成对井下监测设备的持续供电, 两个电压通过二极管D1、D2进行分时叠加, 从而大幅提高了供电的可靠性, 并可有效抑制外电路对备用电池电路的冲击[5]。
2.2 变压器电路
矿用变压器的选择需要兼顾安全保护、滤波作用, 通过变压器将矿用交流127 V降低至交流24 V, 实现电压的初步调节。出于安全设想, 变压器需承受输入电网的波动, 并确保对低电压电路的冲击在安全范围内, 不会造成设备的损坏。实际应用中大多选择R型变压器, 该种变压器效率高, 铁芯无磁隙且绕组均衡。同时其具有体积小、重量轻、无噪音、发热少、漏磁小及安全系数高等优点[3]。
2.3 整流调压滤波电路
图3所采用的是二极管电流限制型保护电路, 在稳压电路中通过接入一个二极管D, 实现对三极管的调节。二极管D上的电压是三极管的发射极e、基极b间电压Ube与负载电流I0在检测电阻R上的电压降之和 (UD=Ube+UR) 。正常工作的情况下, 电阻R两端的电压小于二极管D的最小导通电压, 所以电流不能通过二极管D, 二极管D对稳压电源的正常工作并无影响。当负载电流I0增加到临界值I0m时, 电阻R上的电压降增大, 恰好达到二极管导通电压, 使得电流开始流经二极管, 从而限制三极管电压Ube继续增加, 达到限制三极管发射极电流的目的。当I0<I0m时, 电阻R上的电压UR减小, 当UD小于自身导通电压0.2 V或0.5 V时, 二极管进入截止状态, 电路恢复正常工作, 从而达到对电流限制的作用, 以及起到保护电路的目的。
交流电网电压不稳定, 将引起整流电路输出电压的变化。交流电压变化可从-20%~+10%, 而煤矿井下变化更大[6]。调压电路, 提高矿用本安电源对电网电压抑制作用, 减小电网电压波动时对输出端的影响, 在设计调压电路时考虑煤矿井下温度变化, 选取的元器件温度系数要小或通过加设差分电路进行温度补偿。随着集成电路的发展, 稳压电路中多采用专用的集成稳压器, 如LM339、79XX系列。集成稳压器将差分电路、辅助电源电路、取样比较电路、调节电路、保护电路等集成在自身内部, 将原有的复杂电路简单化, 并大幅提升了自身的稳压精度和工作稳定性, 内部集成的电路解决了电网电压波动和煤矿井下温度变化等实际问题, 使得其在矿用本安电源电路中得到了普遍应用。图4所示是79XX的简单保护电路。通过整流滤波电路出的电压可能含有交流部分, 电容有效抑制了电路中的纹波电压。当输出电路发生短路时, 二极管导通, 实现了对输出电路的保护[7,8,9]。
在经过滤波电路后, 电感、电容通过自身“阻碍”特性, 使得通过负载的电压和电流波动减小, 波形曲线变得平滑。Matlab滤波电路仿真电路如图5所示, 输入侧为经过变压器二次侧变压的AC24V交流电, 并通过桥式整流电路和LC-π型滤波电路到达负载侧。交流电电压波形如图6 (a) 所示;图6 (b) 为未经滤波电路前负载侧两端电压波形;图6 (c) 为经过滤波电路后负载侧两端电压波形的比较图。可以看出滤波后电压波动明显降低, 没有出现反向电压情况, 减少了电压波动对电路所带来的冲击, 且对整流电路中整流管的冲击电流也有较好的抑制作用。
3 结束语
各种监测设备在煤矿井下的使用, 为煤矿工人的安全建立了保障, 而文中分析的矿用本安电源便是为其提供可靠的用电保障。通过对矿用防爆本安电源电路进行分析, 提出了针对各个电路提高安全、稳定、可靠性的建议, 为日后更好地提升电源设备打下了基础。
参考文献
[1]王晶, 翁国庆, 张友兵.电力系统的Matlab/Simulink仿真及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008.
[2]薛鹏骞.煤矿安全检测技术与监控系统[M].北京:煤炭工业出版社, 2010.
[3]代涛.煤矿井下隔离兼本安型不间断电源的设计[D].武汉:武汉理工大学, 2012.
[4]章良海.安全火花及应用[M].北京:煤炭工业出版社, 1984.
[5]崔居普.煤矿电气防爆[M].北京:煤炭工业出版社, 2006.
[6]李树刚.安全监测与监控技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2008.
[7]张占松, 蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社, 1999.
[8]何希才, 张明莉.新型稳压电源及应用实例[M].北京:电子工业出版社, 2004.
复合高压电源的设计及其仿真分析 篇5
绝缘材料在直流、工频正弦以及冲击电压下的击穿机理不同, 所测得的击穿场强不同, 因此必须根据使用条件及实验目的选择合适的电压进行试验, 在特殊情况下, 还要求采用两种不同电压的叠加进行试验, 其中包括交、直流高压叠加的情况。在这里, 主要针对电介质基础研究中所需要的特种实验用高压电源, 来设计体积小, 重量轻, 小功率输出的高电压交、直流复合电源。
1 复合高压电源主回路的设计及仿真
本设计获得直流高压的方法是先把电网的交流电压经整流滤波变成稳定的低压直流电压, 然后利用低压逆变器使之变成几千赫兹的高频交流电压, 再经高频变压器升压, 高频整流滤波, 最后才得到直流高压。
本设计获得交流电压的方法也是把电网电压经整流滤波变成稳定的低压直流, 然后利用PWM单相逆变电路把直流变成高频交流, 再将其升压, 即可得到高频交流高压电源。
在通过各自电路分别得到高频高压交流和高压直流之后, 再通过合适的耦合方式, 在直流部分和交流部分最小的相互干扰的情况下把它们叠加起来, 在满足输出条件下即可得到我们想要的交、直流高压复合电源。重点阐述复合高压电源主回路的设计及仿真。
1.1 高压主回路的耦合形式的选择。
从原理上说交流高压和直流高压的耦合方式有两种:串联耦合和并联耦合。其中串联耦合有因为叠加的顺序不同分为两种, 即直流部分接地的情况和交流部分接地的两种情况。在这里, 用直流部分的整流用半波整流简单代替, 来进行简单的仿真分析。主回路耦合方式的确定主要从以下几个方面考虑:a负载电压波形;b.变压器的额定容量和体积;c.变压器的绝缘水平等三个方面。在该设计中我们只是选用并联耦合形式作为交、直流复合电源的主电路的耦合形式。
1.2 高压电源主回路的设计。
其中直流高压电源部分主要是在高频升压变压器生成4k Hz的峰值5k V的交流高压电源Um, 然后通过倍压整流滤波生成20k V的直流高压。交流高压也是通过高频升压变压器生成20k V的交流高压。其中电容C的作用是隔离直流高压, 尽量减小它对交流部分的影响;电感L的作用是隔离交流高压, 使它对直流部分的影响减小到最小。
1.3 主回路电路的仿真分析。利用Protel99SE提供的SIM工具包对主电路进行仿真。
1.3.1 建立仿真模型。用频率为4KHz的峰值5k V的正弦波来代替变压器T1的输出电压;用频率为1k Hz的峰值28k V的正弦波来代替变压器T2的输出电压;其他参数设为:隔离电容C=1μF, 保护电阻R=100kΩ, 波隔离电感L=100H., 倍压电容值定为0.05μF。1.3.2分析和讨论。1.3.2.1倍压电容值的大小对输出直流电压的影响。我们知道脉动系数 。从公式我们可以知道S与C的值成反比, 也就是说电容值越大, 输出直流电压越稳定。本设计选取了C值为0.05μF和0.01μF时的输出直流电压OUT1的波形, 比较之后可以很清楚的知道电容值和电压稳定有很大的关系。但是我们也要知道电容的体积随电容值成比例的增加, 而且电容值越大, 其耐压也受限制, 所以在实际设计中要综合考虑这两个矛盾的方面, 选择合适的电容值。 (在此我们选择0.9~1.0s分析) 。1.3.2.2复合电源的输出波形。复合电压是直流20k V和交流有效值20k V的叠加电压。
1.4 交流高压元件的选择与设计。
交流高压元件主要是高频升压变压器的设计, 所以我们主要是设计变压器。所给的交流电压输出的要求:电压的有效值在0到20kV之间可调, 频率在50Hz到1000Hz之间可调。所以按照最大情况进行设计。在仿真时知道变压器的输出电流是有效值电流小于15mA的交流。所以设计时可以按15mA来设计。输出功率P2=20kV×15mA=300W。
因为我们所要求的输出高压交流电源的频率在50~1000Hz可调, 所以我们不能直接按照高频变压器的方法设计。本设计只是对其铁心和初、次级绕组匝数以及绕组直径进行简单设计。
2 调频、调压交流电源的设计与仿真分析
因为本设计最后所要求的交流电源的频率在50到1000Hz可调, 由于直流-交流逆变器的输出频率可以是任意值, 电压、频率可任意独立或协调控制, 采用SPWM控制开关器件 (IGBT) 构成的逆变器是一个较好的技术方案。PWM开关技术以其电路简单, 控制方便而得到广泛的应用。逆变器的输入是直流电源, 所以采用具有中间直流环节的交流—直流—交流两级变换电路, 是一种较好的变压、变频 (VVVF) 电源 (Variable Voltage Variable Frequency) 。
2.1 PWM逆变器的设计和仿真分析。
PWM (Pulse Width Modulation) 控制就是对脉冲宽度进行调制的技术, 通过一系列脉冲的宽度进行调制, 来等效地获得所需的波形 (含形状和幅值) 。尤其PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛。目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术, 而且通过对PWM脉冲的控制实现输出交流电压的频率和幅值的调节, 正好满足本设计的要求。故本设计选用电压型PWM单相桥式逆变器。
2.2 PWM逆变电路的仿真分析。
仿真模型包括以下元件:三角波的频率fc=100k Hz, 输出电压频率为400Hz在SPWM控制方式下, 滤波电感Lf=1m H, 滤波电容Cf=4.7μF, 输入直流电压U0=200V。用SPWM脉宽调制电路生成SPWM来控制逆变电路。a.在SPWM控制方式下电感电流脉动很小;b.从滤波器VAB两端的电压波形可以看出, 这种控制的电压利用率高;c.从V1~V4的控制信号可知, SPWM控制方式明显减少了逆变桥功率管开关次数;d.从滤波电容上的电流波形可以看出, SPWM控制方式下滤波电容上的电流较小, 即电流的无功分量较小, 功率器件的电流应力也较小。
3 直流高压用高频交流电源的设计与仿真分析
先把220伏交流电压经整流滤波变成稳定的低压直流电压, 然后利用逆变器使之变成几千赫兹的高频交流电源。由于逆变器产生的高频电压一般在几千赫兹以上, 所以升压变压器的体积可以很小。
3.1 整流滤波器。
采用单相桥式整流电路, 外加滤波电容。
3.2 直流斩波电路。
也就是调压电路, 通过控制其占空比来调节逆变器的输入直流电压, 以达到对输出直流高电压的调节。
3.3 逆变器。
这里采用可控硅逆变器, 是利用可控硅作为开关元件将直流电六转化为高频交流电流。在可控硅逆变器中, 一般采用换向电容关断可控硅。根据换向电容与负载的接法不同, 选用可控硅串联逆变器。
4 结论
本设计通过对交、直流复合高压电源的理论计算和仿真分析, 有以下几点体会供大家探讨、指正。
4.1 选择交流和直流电源的耦合方式问题。
该设计对串联耦合和并联耦合方式进行讨论时, 发现它们各有优缺点。串联耦合时, 变压器的额定功率小, 但是耐压要求高, 而并联耦合时正好相反, 变压器的额定功率大, 耐压要求低。所以我们很难一下子就判断出哪个更好。这需要我们对两种耦合方式都进行设计和分析, 结合生产实际中的工艺以及造价等多方面的因素综合考虑比较来判断。所以本设计也是对并联耦合方式进行了初步的探讨。
4.2 交、直流电源的相互影响的减小问题。
因为研究的是交直流复合电源, 所以交流和直流必然存在相互影响, 我们的目的就是如何使这个影响减小到最小。在并联中我们加入了隔离交流的大电容和隔离直流的大电感来减小这个影响, 但是效果不是很好。所以我们也要寻求更好的解决方法。
参考文献
[1]邱昌荣, 曹晓珑.电气绝缘测试技术[M].北京:机械工业出版社, 2002:69-105.
[2]张仁豫, 陈昌渔.高电压试验技术[M].北京:清华大学出版社, 2003:60-79.
[3]李庆华.小型变压器的设计[M].北京:人民邮电出版社, 1985:289-307.
[4]王顺其.稳压电源设计[M].北京:国防工业出版社, 1983:283-296.
[5]陈坚.电力电子学[M].北京:高等教育出版社, 2002:102-118, 147-157.
[6]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2003:150-161.
[7]赵小俭, 阮新波.SPWM高频脉冲直流环节逆变器的原理分析[J].电力电子技术, 2001, 2.
探析动态系统计算机电源仿真技术 篇6
1 仿真建模步骤
动态系统的计算机电源仿真建模主要通过以下几个步骤来实现:(1) 仿真实验; (2) 模型实现; (3) 模型设计;(4) 系统分析。
(1) 系统的分析。 其中系统的分析主要就是要做好对相关仿真对象的实际应用分析, 从而明确系统的边界、 控制变量以及相应的目标函数。 然而对于相对复杂的系统来说, 除做好上述的工作外, 还需要对整个系统进行子系统之间的关联分析、 系统内部之间的有效层级分析等。 提前做好各系统之间的有效联系分析是进行系统设计的有效前提。
(2) 模型的设计。 完成了系统的分析之后接下来就需要进行模型的设计工作。 在进行模型的设计过程中, 首先必须确保不同环境下同应用系统之间彼此所进行的能量以及信息的交换关系。 然后就需要将相应的数学理论模型转换成为相应的电路表示或者计算机运行语言。
(3) 模型的实现。 在模型设计应用完成之后, 一般就需要进行相关模型的实现。 模型的具体实现一般需要相关的设计人员将仿真应用的数学模型设计出相应的实验模型电路或者相关的数据处理软件, 其中动态计算机的电源仿真建模就必须依靠相应的设计模型所实现, 因此进行科学研制出相应的仿真数学模型也就具有极其重要的实践意义。
(4) 仿真实验。 模型实现以后, 那么就需要进行一定的仿真实验从而来验证具体应用模型的实际效果。 所说的仿真实验实际上就是在计算机上进行相关数据的处理, 对相应的电路通电实验观察, 得到相应的计算输出结果以及相应的电频输出曲线变化。 在具体的实验设计过程中一定要明确所需要研究具体对象的应用特点, 从而来确定出相应的实验设计方案, 一般所进行的仿真应用实验大多分为具体应用方案的确定, 具体方案仿真的启动, 方案仿真信息的输出等的步骤。
2 仿真建模
计算机仿真方法中一个主要的分析方法就是模型分析法。模型分析法一般采用将实际应用系统的抽象分析构造出相应的数据模型, 在此之后通过实际应用系统与此相关的数据模型进行一定的对比分析。 此外在进行相关模型分析时最为重要的一个环节那就是需要建立起一个能够真正反映出实际应用系统关键特征的应用理论模型。 对于相对复杂的系统而言基本可分为评估、 性能分析以及关系模型的结构建立阶段。
仿真系统模型的分类可以根据不同的分类标准进行划分。一般来说有以下几种不同的分类方法, 根据不同的表示方法仿真系统模型可被分为物理模型和数学模型两个大类, 计算机仿真所采用的就是数学模型。 根据不同的时间关系仿真系统模型又可分为混合时间动态模型、 静态模型、 离散时间动态模型、 连续时间动态模型。 根据不同的变化方式系统又可分为连续变量系统模型以及离散事件系统变化模型。
(1) 连续变量动态系统的模拟仿真建模。 连续变量动态应用系统其实际状态会随着时间发生连续的效果变化, 并且其应当属于由时间来进行驱动的物理应用系统。 连续变量动态应用系统则根据不同的取值域以及不同的时间取值方法又可分成连续时间动态系统以及离散时间动态系统, 他是依靠离散———连续的实践混合的动态应用系统。
对连续变量动态系统的不同构建模型中较为常见的应用方式是常/偏微分方程模型、 差分方程模型、 回归模型、 系统动力学模型。 在这些不同的模型微分方程中其中微分方程的模型应用则最为广泛。
(2) 高阶系统的简化应用方法。 在动态系统计算机电源的仿真模拟中, 系统通过应用微分方程来进行相应的转换过程中常常会遇到高阶次的解决应用问题, 同样给系统的建模带来了较大的难度, 所以应用科学的应用简化算法将会大大提升工作效率。 当前所应用的高阶微分方程的相关简化方式主要有以下几种方法:(1) 时域简化法; (2) 频率域简化法。
频率域法又可分为混合法, 连分式法以及Pade法。 时域简化法又可分为系统集结法以及摄动法。 其中摄动法能够实现对整个实际应用系统的解耦应用的处理, 解耦处理也就是为了要把高阶模型进行相关的多个低维模型的划分。 此外摄动法根据耦合关系的不同分为奇异摄动法以及非奇异摄动法。
3 离散事件应用动态系统的建模
离散事件应用动态系统一般来讲是对系统跳跃式的变化状态进行相关的分析, 其系统应用状态的有效迁移一般都是在离散的时间点上来进行迁移的, 离散事件应用动态系统同连续动态应用系统的系统驱动方式有所不同, 其主要进行的是事件驱动。 其中离散事件系统在大多数情况下属于人造系统, 其系统的整体结构一般都相对较为复杂, 其中应用传统的微分应用方程解决方法一般难以达到预期的解决效果。 所以就一定要找到更加高水平的解决设计方式。 当前按照建模的不同方式将离散事件动态系统大致可分为以下几类:(1)自动机模型;(2) 排队论模型; (3) Petri网络模型。
(1) 自动机模型。 仿真应用系统中的自动机应用模型大多数指的就是在有限的状态下的自动机实际应用模型。 有限状态下的自动机实际应用模型的有效建立必须能够有效把握好其应用的关键点, 要想建立实际有效的有限状态的自动机应用模型就一定要依靠合适的仿真策略来进行选择出相适合的状态集合, 并最终能够建立出一个于此实际应用相关联的输出关系函数以及转移关系函数。
(2) 排队论模型。 离散事件动态计算机模拟仿真系统的应用中排队论模型技术较为常用。 其同时也是近些年以来逐渐在离散事件动态系统中得到了较多的应用。 通常将排队论作为理论基础的网络模型主要包括以下的3 种元素: 到达模式, 服务机制以及排队规则, 这3 种元素有机结合构成了当前排队论网络的模型。
事件调度, 进程交互以及活动扫描。 在规模相对较大的复杂动态计算机仿真建模系统中通常会应用多种的仿真策略, 将多种的不同策略混合到一起使用。 多种策略的系统应用仿真能够有效完成对仿真软件的简化, 使得仿真的结构不断得到优化,并最终提升仿真软件的整体性能, 使其适应不同的环境需要。
(3) Petri网络模型。 其中离散事件的动态应用系统的计算机模拟仿真建模中实际应用中最为广泛的模型要数Petri网络模型。 之所以其得到广泛应用由于以下两个原因: 1) 由于其既拥有逻辑性定性建模同时又具备确定性的仿真建模; 2)由于其相对较为灵活, 既可以应用带时标的仿真同时也可应用不带时标的仿真模型。 另外Petri网络应用模型还具有其他诸多的优点, 主要表现在: 1其能够针对不同的层级进行结构系统的表征; 2其能够有效实现异步并发系统的应用模拟;3其形式相对直观、 简洁。
当前网络扩展的类型不断增多, Petri网络的应用模型范围同样也不断增大。 到目前为止Petri网络的应用模型在离散事件动态系统的实际应用已经获得了较为显著的实际效果, 同时能够真正有效解决了当前形势下的实际难题。 比如, 随机的Petri应用网络已经能够有效对计算机的相应实际应用局域网实现了一定程度上精确的分析, 而且又能够形成相对来说较为专业的模拟应用仿真自动系统分析软件。
4 制导现代兵器应用系统
当前我国的仿真应用技术在军事现代制导实战兵器的系统应用中还较为局限, 仍然还存在于系统的测试研制的阶段。 随着当前我国现代军事武器应用系统研制的不断进步, 计算机仿真技术在军事制导兵器系统中的应用一定会取得长远的进步。 计算机仿真技术的不断发展将会更加广泛地应用于制导武器系统中。 现在我国的军事应用制导兵器的采办系统模拟仿真大多数采用的是VVA仿真技术。 在现在我国的新形势下计算机仿真技术的模拟越来越受到重视, 计算机仿真技术应用于军事制导兵器研制系统的实际应用要求就需要不断进行相应的创新。 要想实现实际的军事应用, 必须将计算机仿真整个过程的系统、 建模以及仿真进行有效的结合, 唯有如此才能够满足军事制导武器的精确性。
计算机模拟的仿真技术, 尤其是对于动态系统的计算机电源仿真来讲, 在其中更是占有重要的地位作用。 动态系统的计算机电源仿真在具体的实际系统应用中的改进以及优化具有极其重要的意义。
当前所进行的连续动态系统应用的建模仿真主要是依靠变换域操作法, 离散相似以及模型转换来进行实现。 离散事件的动态应用系统的建模仿真主要是依靠有限状态下的自动机模型, Petri网络法以及排队法。 最后又对我国当前情况下的制导兵器应用系统的相关重要建模仿真的未来发展进行有效分析,我国目前的计算机实际工作电源的模拟应用仿真技术在未来一段时间将会得到持续的有效发展, 于此同时对于建模仿真技术的研究仍需继续进行, 有效做好建模仿真能够最大程度地提升当前的仿真技术水平, 是未来技术改进、 优化的关键。
摘要：动态系统计算机电源仿真技术在通信网络,生态环境、经济管理、工程设计等领域得到了较为广泛的应用。计算机电源的仿真建模作为计算机电源综合仿真的重要步骤,分析研究计算机电源的仿真建模对整体仿真效果的判定具有重要意义。着重对动态系统的计算机电源仿真技术进行分析。
电源仿真 篇7
目前,电池储能电源参与电网调频已受到业界的广泛关 注[1]。2011年,国家风光 储输示范 工程(一期)分别进行了储能电站跟踪智能电网调度控制系统(简称“D5000系统”)和华北网调下发的调频功率指令测试。测试结果表明,电池储能电源在参与电网调频时能快速精确地跟踪调频指令,具备调频的应用功能[2]。目前,国内外一般基于区域等效方法,即将电网元件模型转换为传递函数形式,在形成互联电网调频动态仿真模型的基础上展开相关仿真实验[3]。但由于现有的对满足调频研究需求的电池储能电源模型的研究远远滞后于实际工 程的需求,因此,构建合理的仿真模型是需要首先解决的基础性和关键性问题。
目前,电池储能电源的建模研究主要集中于单体元件建 模、功率转换 系统 (power conversion system,PCS)及其控制策略的建模[4,5,6,7,8]。国外学者 针对电池管理系统的需求建立了单体元件模型,包括理想模型、一阶和二阶模型等[4]。文献[5]提出利用一阶惯性环节与控制增益的乘积来描述电池储能电源参与调频的行为特征,此模型在已有研究中被广泛采用。近年来,国内学者同样认识到了建立满足电网需求的模型的重要性。文献[6]提出了计及单体元件的一阶模型的风光储联合发电组合建模方法。文献[7]仅考虑PCS的内外环控制策略,建立了电池储能电源的通用模型。文献[8]提出了利用基于戴维南等效电路的传递函数模型来描述入网电动汽车 (vehicle to grid,V2G)参与调频 特征的行 为。综上可知,目前仍缺乏一种既能准确反映电池储能电源自身动态特性,又能满足调频研究需求的模型。
为此,本文对面向电网调频的电池储能电源仿真模型展开了研究。通过分析电池储能电源参与调频的出力特征,结合在单体元件数字仿真模型基础上形成的 电池储能 电源电磁 暂态模型 (electromagnetic transient,EMT),提出了满足调频研究需求的仿真模型及参数辨识方法,并利用多组实验数据辨识出了模型中各个的参数。最后,基于调频工况进行了验证分析。
1储能调频的出力特征
设电池储能电源的额定功率为Pn,针对其参与一次调频(primary frequency regulation,PFR)和二次调频 (secondary frequency regulation,SFR),基于某电网实 测频率和 区域控制 偏差 (area control error,ACE)数据,通过分析典型工况的充放电频率和幅值特点,可得到储能的出力特征统计结果。
1.1一次调频工况
由于本文选用了通过模拟传统调频电源的下垂特性来实现电池储能电源参与PFR的方法,因此, 需确定其出力与频率偏差间的关系。本文将频率死区设定为 ±0.033 Hz,当频率偏 差处于0.033~ 0.233Hz或者-0.233~-0.033 Hz范围内时,控制其线性出力;而当超过此频率偏差后,则控制其以Pn出力。利用如附录A图A1所示的28d频率数据曲线(采样间隔为1s),基于前文所述的原则可得到电池储能电源的实时出力,对实时出力和频率数据进行统计分析,可得如下结果。
1)越过频率死区次数:总样本数为2 419 200; 频率偏差越过频率死区的次数为715 180,约占总样本数的30%。此时需参与PFR。
2)出力幅值:99.4% 的出力小 于0.1Pn(其中58.7%的出力小于0.02Pn),仅有极少数出力处于0.6Pn~0.7Pn范围内。
3)出力持续时间(记为h):超过71%的出力持续时间小 于2 min;1.5% 的出力持 续时间大 于15min,但能量小于0.2Pnh。
4)持续充放电能量:超过80%出力的持续充放电能量值小于0.005Pnh,仅有0.8%出力的持续充放电能量值大于0.05Pnh。
综上可知,储能参与PFR的出力变化 幅度较小,且变化周期较短。
1.2二次调频工况
通过承担部分ACE信号以实现参与SFR。本文假设由电池 储能电源 单独承担 此信号,并设置ACE死区为 ±0.015(标幺值 )。 利用如附 录A图A2所示的连续4d的ACE数据曲线(该曲线已作标幺化处理,并倍乘1/200,采样间隔为1 min), 同理可得ACE及出力特征统计结果如下。
1)越过ACE死区次数:总样本数为5 760;越限次数为3 807,约占总样本的66.1%,此时需要参与SFR。
2)出力幅值:92.4%的出力幅值小于0.7Pn(其中77.83%的出力幅值小于0.5Pn),仅有1%的出力幅值介于0.9Pn~Pn之间。
3)出力持续时间:95.52%的出力持续时间小于5min;1%的出力持续时间大于15min,但能量小于0.5Pnh。
4)持续充放电能量:超过92%的持续充放电能量小于0.03Pnh,仅有2.3%的持续充放电能量大于0.05Pnh。
由上述数据可知,相比PFR,此工况下的储能出力变化幅度较大,且变化周期较长。
2满足调频研究需求的仿真模型及参数辨识
为保证调频仿真计算结果的准确性和可信赖程度,需确定合理的仿真模型结构和准确的模型参数。 基于上述出力特征统计结果,本文结合电池储能电源的EMT模型,提出了满足调频研究需求的仿真模型及其参数辨识方法。
2.1电池储能电源的电磁暂态模型
由于电池储能电源是由电池储能设备(由单体元件串并联组成)、PCS以及滤波环节所构成的整 体[9],因此,其EMT模型主要包括单体元件模型、 考虑单体差异性的等效方法、PCS及其控制策略模型等。虽然电池储能电源的动态 响应特性由PCS控制主导,但单体元件对其整体响应特性有重要影响。因此,本文以磷酸铁锂电池为研究对象,介绍电池储能电源EMT模型的形成过程。
本文的单体元件数字仿真模型借鉴于文献[4]。 该模型的左侧和右侧电路通过荷电状态耦合,其中左侧电路描述运行的时间特性,其本质是通过跟踪电流以确定荷电状态;右侧的阻容电路主要描述运行的动态电流—电压特性。模型中所有参数均不是恒定值,理论上应均为荷电状态等影响因素的函数, 在实际建模中可进行相应的简化。同时,由于实际运行过程中单体元件之间的差异性较小,因此,只需考虑串并联电路的基本特性即可建立起由若干单体元件组合而成的电池储能设备模型。基于此,结合文献[7]提出的PCS及其控制策略即可构建出所需的EMT模型。但由于该模型过于复杂,本文将导出满足调频研究需求的仿真模型。
2.2仿真模型构建及分析
在EMT模型基础上提出的仿真模型如图1所示,该模型包含PCS、响应延时—时间转换、电池储能设备模型以及限幅等环节。图中:Pref为理论功率需求;Preq为经过PCS和响应延时后的功 率需求; Tpcs和Tdb分别为PCS环节和响应延时—时间转换环节的时间常数;Ts为转换系数;Pbatt和QSOC分别为经过电池储能 电源后的 功率和荷 电状态;Pac和QSOC,ac分别为实际的输出功率和荷电状态;QSOC,max和QSOC,min分别为荷电状态的上、下限值。并设放电为正,充电为负。
1)PCS环节:由于换流器开关和内部电流闭环控制响应时间常数远小于关注的调频研究的时间间隔(见第1节分析),因此,可忽略与其相联系的动态响应,将PCS等效为一阶惯性环节,仅考虑其时间常数[7],本文取为0.01。
2)响应延时—时间转换环 节:利用一阶惯 性环节描述电池储能电源的响应延时。Ts用于表示仿真时间与实际时间的转换关系。本文取Tdb=0,Ts则根据实际仿真需求选取。
3)电池储能设备模型环节:假设m个单体元件串联形成电池包模块,n个电池包模块串联形成电池柜,k个电池柜并联形成电池储能单元,l个电池储能单元并联形成电池储能设备。将单体元件的数字仿真模型转换成传递函数形式,结合理想成组过程,即可得到电池储能设备的传递函数模型,如图2所示。图中:Ibatt,Vbatt,Crate和QSOC,int分别为运行电流、端电压、额定容量和初始荷电状态;Voc为开路电压;Rseries和Vseries分别为欧姆内阻以及对应的电压; Rtran-s,Ctran-s和Rtran-l,Ctran-l分别对应于2条并联RC支路的电阻值和电容值,分别描述短、长时间尺度的响应;Vtran-s和Vtran-l分别为对应支路上的电压。调频应用中,一般假定QSOC,int为50%,QSOC工作范围为20%~80%,由于QSOC仅在接近0和100%时对参数Voc,Rseries,Rtran-s,Ctran-s,Rtran-l和Ctran-l影响较大[4], 因此,在限定的QSOC范围内可认为其为恒定值。
4)限幅环节:设置运行 时QSOC的上限和下限, 当其越过限定范围(QSOC,min,QSOC,max)时,为避免电池储能电源因过充或过放而影响使用寿命,应将其闭锁。
结合以上4个环节即可构建满足调频研究需求的仿真模型。
研究电池储能电源的容量配置等问题时,在对结果精确性影响不大的前提下,可适当对仿真模型进行进一步简化。如果容量配置较为合适,因PFR处于秒级时间 尺度,在此时间 尺度内QSOC变化较小,若Rtran-l和Ctran-l对应阻容支路的时间 常数远超秒级范围,则可忽略Rtran-l和Ctran-l的影响,此时可构建满足PFR研究需求的仿真模型。同时,由于SFR处于分钟级时间尺度,若Rtran-s和Ctran-s对应阻容支路的时间常数处于秒级范围内,则可忽略此阻容支路中Ctran-s的影响,此时可构建满足SFR研究需求的仿真模型。
2.3参数辨识方法
仿真模型中需要辨识的参数主要是单体元件的模型参数,基于此提出对应的辨识方法。以Ibatt和Vbatt为激励和 响应,以2个并联RC支路的电 压Vtran-s和Vtran-l作为状态量,可得动态微分方程如下:
在给定激励Ibatt并确定初始条件后,求解式(1) 得Vtran-s和Vtran-l,可得Vbatt如式(2)所示:
式(1)和式(2)即构成了状态方程的完整形式。
基于多组实验数据,利用综合改进遗传算法对模型参数进行辨识[10],并采用式(3)计算误差J,以评判模型响应曲线对实验曲线的拟合效果。
式中:V*batt(k)和V*ed(k)分别为第k个模型响应的标幺值和实验数据标幺值;N为总采样点数。
3实验及仿真分析
3.1仿真模型的参数辨识
分别对6个额定电 压为3.2 V,额定容量 为200Ah的磷酸铁锂电池单体元件(分别编号为A1, A2,…,A6)展开实验,所得各单体元件的QSOC,int如表1所示。
基本实验信息如下:放电模式取脉冲电流放电; 脉冲时间为10s;脉冲时间间隔为60s;脉冲电流量顺序为54 A(0.27C),126 A(0.63C),18 A(0. 09C),90A(0.45C),72A(0.36C),180A(0.9C), 108A (0.54C);测量值包括电压(单位为V)及电流 (单位为A);测量间隔为1s。
基于式(1)和式(2),分别对A1~A6单体元件模型进行参数辨识并计算误差,得到6组参数辨识结果。其中,A1和A2的QSOC,int均为0.4;A3和A4的QSOC,int均为0.6;A5和A6的QSOC,int均为0.8。 对QSOC,int相同的辨识结果两两一组求取平均值,得到不同QSOC,int下模型的参数值,如表2所示。
由表2可知,在设定的QSOC范围内模型的参数较为稳定,即QSOC,int的值对参数影响较小。因此,选用在3个不同QSOC,int下的辨识结果的平均值作为模型参数终值,即将Rseries,Rtran-s,Ctran-s,Rtran-l,Ctran-l,Voc的值分别取 为0.000 67,0.001 65,63.3,0.049, 641,3.326。
限于篇幅,对应的实验电压和辨识电压曲线的拟合效果不再列出。总体来说,QSOC在一定范围内时,该模型的参数较为合理,仿真模型能较好地描述单体元件的动态特性,且数字仿真模型与实际储能运行数 据的特性 相吻合,平均后的 误差仅为0.277%。
3.2调频工况仿真分析
假设图2中的m,n,k,l的取值分别为10,24, 5,3,可由此求得储能的额定功率、容量和电压分别为1 MW,2MW·h和768V。计及调频应用的能量需求,在此仅使用0.25 MW·h(15min)的配置容量以验证本文所提仿真模型、简化后得到的PFR和SFR模型的合理性。为保证研究结果的普适性, 分别从前述数据中选择非连续4h的频率和1h的ACE样本数据展 开仿真研 究,以对比仿 真模型、 PFR和SFR模型、传统一阶模型[6]的QSOC和端电压曲线的差异,所得的结果如图3和图4所示。
由图3可见,在储能出力相同的情况下,运行过程中仿真模型与PFR模型的QSOC差距极小,两者对秒级电压变化的跟踪性能均较为良好,且效果远优于一阶模型。由此可知,在PFR中长时支路Rtran-l和Ctran-l对结果影响不大,在适当的前提下可将其忽略。
同理,由图4可知,在运行过程中仿真模型与SFR模型的QSOC差距极小,两者对分钟级的电压跟踪性能良好,且效果也远优于一阶模型。这表明,在SFR中短时支路中的Ctran-s对结果影响不大,在适当前提下也可将其忽略。仿真结果验证了前文分析的合理性。此外,PFR和SFR模型也可分别 满足电网其他秒级和分钟级时间尺度的应用需求。
4结论
本文针对满足调频研究需求的电池储能电源仿真模型展开研究,结论如下。
1)通过实测 数据分析 可知,相比储能 参与SFR,其参与PFR出力的变化幅度较小,且变化周期较短。
2)结合所提的仿真模型、参数辨识方法以及多组单体元件的实验数据,辨识出的模型误差在1% 以内,由此验证了所提模型结构和参数的合理性。
3)在适当情况下对仿真模型的进一步简化不仅能保证较高的仿真精度,而且能增加仿真速度。简化后的模型可 分别满足PFR(秒级)和SFR(分钟级)的应用需求。
附录见本 刊网络版 (http://www.aeps-info. com/aeps/ch/index.aspx)。
摘要：对面向电网调频的电池储能电源模型展开了研究。首先,通过深入分析调频工况的幅值和充放电频率特点,总结了电池储能电源的出力特征;然后,介绍了电池储能电源电磁暂态模型的形成过程,在此基础上,提出了满足调频研究需求的仿真模型及其参数辨识方法;最后,基于多个磷酸铁锂电池的实验数据,采用改进的遗传算法辨识出仿真模型中的参数,并基于调频工况进行了验证分析。分析结果表明,模型仿真数据与实际储能的运行数据及特性相吻合,误差在1%以内,且提出的仿真模型结构合理,可较好地满足一次调频、二次调频以及其他秒级至分钟级的应用需求。
电源仿真 篇8
关键词：增量式PID,PID参数整定,最小二乘法,电镀电源
0 引言
影响电镀质量的因素包括:阳极材料的质量、电镀液的成分、温度、通电时间、搅拌强度、析出的杂质、电流参数等[1],其中电源是电镀最主要的设备。不同的电镀工艺对电源的要求是不一样的,如镀铜,采用脉动直流电能提高镀层光亮度;相反,对于镀铬,就只能用直流电才能得到良好的镀层,如果有交流成份,铬镀层的亮度会降低,甚至发白,发雾,变灰,直流中所含的交流成份越大,这种现象就越严重。除用得很少的铝件交流氧化直接用可调低压交流电外,其他基本上都采用直流电源。任何镀液都有一个获得良好镀层的电流密度范围,获得良好镀层的最大电流密度称为电流密度上限,获得良好镀层的最小电流密度称为电流密度下限,这就要求电源的输出电流从开机开始迅速达到设定值并保持稳定,纹波系数小。使用符合要求的直流电源是精密电镀的基本要求。据此,对电镀电源的控制算法进行研究,以使电源响应速度快、纹波系数低、电流调节范围宽、稳定可靠。电镀电源的目标输出电流波形如图1所示。
1 系统仿真模型
利用Matlab/Simulink建立仿真模型如图2所示。
1.1控制算法
PID控制器是目前应用最为广泛的一种控制器,它利用受控系统的输入输出数据来设计,结构简单,使用方便[2],因此本文拟采用PID算法控制电镀电源。PID算法原理框图如图3所示。
增量式PID算法是对PID算法公式进行变换得到的,由于增量式PID算法具有计算量小,易于实现的优点,所以首先采用增量式PID算法。
1.2增量式 PID 算法
增量式PID算法中控制器的输出是系统控制量的增量 Δuk。当系统的执行机构所需的不是控制量本身,而是控制量的增量时,应该使用增量式PID算法对系统进行控制。增量式PID的控制规律如下:
将增量式PID应用到系统中,设定值为4 000,得出仿真图如图4所示。
PID算法中的积分环节主要作用是消除静差,但如果积分作用参与了系统调节的整个过程,由于起始阶段系统偏差较大,很容易造成积分饱和,导致PID公式的运算结果超过执行机构的最大控制量,使系统输出量存在较大的超调,甚至引起大的振荡[3],如图4所示。这样的电源存在诸如响应不够快、超调、稳定性不够好等问题,这样的电源应用在电镀生产中势必会影响产品质量。为改善超调和振荡问题,将积分作用从PID算法中分离出来,即改为采用增量式积分分离PID算法。
1.3增量式积分分离 PID 控制算法
积分分离的具体做法是:当系统的输出误差较大时,积分作用不参与调节;当系统的输出误差较小时,加入积分控制来消除静差。其具体实现步骤如下[4]:
(1)根据实际情况,人为设定阈值 ε> 0 ;
(2)当采用PD控制;
(3)当采用PID控制。
其中 β 为积分项的开关系数。
将增量式积分分离PID算法应用到系统中,仿真得到如图5,图6所示波形,这两幅图为阈值分别是300和100,给定值分 别为4 000和600时系统的 输出电流波形。
由仿真图可知,增量式积分分离PID控制算法一定程度上解决了增量式PID算法中的超调和振荡问题,如图5中阈值为300时的情形,但是由于电镀电源输出电流大,调节范围宽,阈值设定就成了一个比较棘手的问题,对于小的设定值,阈值过大,达不到积分分离的目的,如图6所示,阈值为300时系统存在超调;对于大的设定值,阈值设定过小,系统可能进不了积分作用区间,会出现较大的残差,如图5所示,阈值为100时系统存在较大的静差,大约为200。仿真结果表明,对于调节范围宽的电镀电源系统,增量式积分分离PID控制算法不能兼顾各设定值下的系统输出电流波形。为了解决系统由于阈值选择不当而出现的超调或静差问题,拟改进增量式积分分离PID控制算法。
1.4改进的增量式积分分离 PID 算法
即使是对于同一个系统,不同的输出值所允许的误差绝对值都是不一样的,系统通常会规定一个允许的误差百分比,即要求误差和设定值的比值在允许的范围内 ,据此 ,本文将系 统给定值r引入算法 ,利用误差error(k) 和给定值r的比值作为开关系数的判断条件,将误差和给定值的比值叫做误差百分比,改进的增量式积分分离PID算法具体实现步骤如下:
(1)根据系统允许的误差百分比设定阈值 ε> 0 ;
(2)当时,采用PD控制;
(3)当时,采用PID控制。
改进的积分分离PID控制算法公式和增量式积分分离PID算法的公式无异,不同点在于开关系数的判断条件变为:
改进后的 积分分离PID控制算法 仿真图如 图7所示。
2 PID 参数整定
PID算法的三个参数是应用该算法的重点和难点,它们共同决定系统最终的控制效果[5]。工程上,PID控制器的参数常常是通过试凑,或者通过实验经验来确定。这些方法不仅耗时,还依赖专家经验。利用Matlab可以在系统投入运行前对系统进行仿真,在此基础上,虽然不能准确建立系统的数学模型,但是可以降低系统的不确定性[6]。要了解系统,首先要了解系统的输入输出关系。通过对系统进行仿真得出了一组输入输出数据,如表1所示。系统的输入为PWM波的比较值,输出为电流大小。
根据表1中的数据,利用最小二乘法将数据拟合成曲线,如图8所示,其中横坐标为输入,纵坐标为输出,单位为安培(A)。
系统的输入输出关系为:
在系统中输入为控制算法的计算结果,输出为系统的稳定值。首先整定比例系数,为方便比例参数整定,将拟合曲线的方程式简化为f (x) = 0.5x。仅在比例作用下,比例系数Kp和系统的稳定值m的关系为:
仅在比例作用下,系统最终存在静差,值为r - m,将该静差取为给定值的1%,即系统仅在比例作用下最终输出电流达到给定值的99%,m=99% r,经计算得Kp= 198,Kp取200。这样仅在比例作用下,系统最终大致会稳定在99% r处。当系统的输出值达到给定值的99% 时,即在|error(k) r |1%时,加入积分调节,由于开关电源是一个非线性系统,即便经过计算,但在比例作用下系统输出值也还并不十分确定,因此阈值要留有一定的裕量,因此取阈值为1.5%,即 ε= 0.015。由于积分作用受到了限制,积分参数的整定变得相对容易,由于比例作用下系统的静差很小,经试验,Ki取各数量级的值均能达到良好的控制效果,其中Ki取1效果最佳。最后整定微分系数,由于微分作用的存在,系统可能会出现较大的波动,于是给微分作用进行限幅,经整定,Kd取1最为合适[7]。
3 仿真结果及分析
首先将给定值设为2 000,调节给定值到4 000,再调节到3 000,系统仿真结果如图9及图10所示,其中图10为图9的细节图。
从仿真结果可以看出,应用改进算法的PID,系统对于各给定值既无超调也无静差,只是在稳定值附近有微小波动,和增量式积分分离PID算法相比,该系统阈值的选取容易很多。
以模糊算法为例,将改进的PID算法与模糊自适应PID算法分别应用到电镀电源系统中,并对效果进行比较[6]。图11为改进的PID算法控制效果与模糊自适应PID算法的控制效果对比图,给定值均为4 000。图12为系统稳定后放大的输出电流图。
如图11,图12所示,系统采用改进的PID算法时,稳定时间约为0.006 s,稳定后波动约为±3,纹波系数<1‰,采用模糊自适应PID算法时,稳定时间约为0.02 s,稳定后波动约为±4;和采用模糊PID算法的系统相比,采用改进的PID算法系统响应更迅速,运行更稳定。且一般模糊逻辑系统的设计存在两个棘手的问题:一是隶属函数个数、形状的确定及其坐标位置的调节;二是模糊规则的确定[8,9],设计过程较复杂。相比来说,改进的PID算法结构简单,易于实现和应用。
4 结语
综上所述,改进的增量式积分分离PID算法结构简单,易于实现;PID参数易于整定;阈值选取简单;纹波系数低;不必采用智能算法,省去了规则的制定,减少了系统的运算量,系统响应更快。采用改进后的PID算法,由于系统反应速度快(毫秒级),对于网电及负载变化具有极强的适应性,输出误差大约为0.1%,电源的控制精度高,电流稳定,对于使用直流电镀工艺的产品,有利于提高产品质量[10]。