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电力电子系统应用的时间域网络解析器的精确度和速度 电力电子2007年3期电路与系统控制 Circuitamp;SystemControl 电力电子系统应用的时间域网络解析器 的精确度和速度 AccuracyandSpeedofTimeDomainNetworkSolversforPower SystemsElectronicsApplications M.Steurer,S.Woodru噩R.Wen,H.Lee,tBaldwin PLES公司陆伟译游小杰校 摘要:本文通过比较5个商业软件包的精确度和执行时间,研究了具有固定时间和变换时间的网络仿真方法的 性能差异.包含了多个三相二极管整流器和一个PWM电压源逆变器的一系列基准实例显示:对于线性电 路来说,固定时间步长法的仿真时间更短一些;然而,为了得到精确的结果,即使对于低开关频率的PWM 应用都可能需要非常小的时间步长.否则,如果使用的时间步长过大,即使波形看起来是正确的,PWM 逆变器控制信号也可能有严重的错误. 关键词:变换器电路建模仿真软件用户使用经验 l引置 随着电力电子功率等级的提高,过去十年中电力 电子在电动系统中的应用大大增加了.因为复杂的子 系统,例如sTATCOM,FACTs,HVDC,以及变化的 电动机驱动越来越成为电动系统的一部分,数值时间 域的仿真变得越来越重要. 目前,经典的使用梯形法进行积分计算的D0mmel 算法,仍然是大部分用于仿真电力电子系统的程序的 基础.这些软件包后来被看做是类EMTP程序.首先, 在介绍电力电子之前,这些程序被开发用于仿真线性 电力电子系统网络.尤其是对于具有完全传播和分部 系统的大阻抗和导纳矩阵,它们引入了稀疏矩阵技术. 为了解决电力电子领域仿真的其它挑战,使用高 阶,可变化步长的替换仿真算法已经开发出来了.这些 算法能更好的适应真实生活中经常存在的非线性组分 仿真问题.然而,对于在传统类EMTP中的电力系统如 与频率相关的传输线和旋转电机,因为能够使用许多 有效的内在模型,这使变换时间步长的仿真程序没有广泛 的应用到电力系统中. 在电力系统中广泛使用的电力电子需要使用大型 和高阶非线性仿真系统进行仿真.各种各样可利用的 软件包导致了技术问题的出现,即相对于一个特定的 应用,应该选择哪一个仿真软件.一些论文通过建立通 用的指导,主要是针对电力电子电路,来解决这个问 题.但对于不同的软件包的性能和准确度,很少有文章 能够进行一一对比.因此,本文的目的是对于基本的不 同方法的仿真速度和精确度进行详细的比较,尤其是 强调了在电力分布和传输系统中的电力电子. 本文从所需要的基准模型来帮助决定去选择哪一个仿 真环境,并且,当仿真PWM逆变器应用时,由以下所描 述的一个类EMTP软件包的使用经历揭示:结果的准确度非 常依赖于时间步长大小,进而依赖于执行时间. 2仿真软件包 为了在两个目录(固定时间步长和变步长)中提供更好的 混合使用的软件包,下面的商业软件包已经得到了选择: 电路与系统控制 Circuitamp;SystemControl ?MATLAB/SIMULINK是一个被广泛使用的具有通 用目的的科学软件包,提供了各种可变步长的常微分方程 解析器,目前,也可以利用两个新增的软件包,即能够进 行电力系统和电力电子的仿真--PLECS(P1),从第三方销 售商可以得到;SIMPOWERSYTEMS(P2),可以从 MATLAB/SIMULINK销售商得到. ?PSCAD/EMTDC(p3)是完全积分的类EMTP电力 系统仿真软件包,它的特征是有两个特殊的技术震动 迁移和内插法,有利于仿真理想化(无吸收电路)的 电力电子电路. ?PSIM(P4)是一个类EMTP电力系统仿真软件,可 用于电力电子仿真. ?SIMPLORER(P5)是一个全阶可变步长的电力系统 仿真软件. ?VTB或者虚拟测试床(P6)是一个具有积分类 EMTP电力系统仿真器的设计和开发环境,可以利用可 变时间步长解析器,但本文中没有使用. 以上所列是主要几个,并没有反应所有软件包,由 于笔者所在研究所的经济和其它事务原因,本文中所 涉及的程序或者软件包是有限的.因此,本文并不提供 特定程序的指令,比如SPICE以及它的相关程序,如 PSPICE,没有包含在本文中.SPICE是为电力电子的器 件级专门设计的;但很少应用在电力系统仿真.本文的 例子在PSPICE中实现,但是由于仿真问题引起的器件 级细节没有被解决,因此不能进行合适的比较. 21解析器算法的通用讨论 本节将对两类软件包的求解方法进行讨论.第一 类是代表传统类型的基于DOmmel算法的类EMTP法, 使用梯形积分,时间步长固定.这一类包括P3,P4和 P6,这个方法的优点是使用简单,对于运行的数值方 法