经典外文翻译(电气工程专业1)

电力系统和电力电子的模拟工具

MATLAB/SIMULINK和PSPICE

I. MATLAB/SIMULINK作为电力系统暂态的模拟和仿真工具

A.关于MATLAB/Simulink环境中电力系统模块库的介绍

电力系统模拟库仿真工具利用MATLAB/Simulink环境来描绘电力系统网络网络中出现的一般原件和器件。它由模块库组成，模块库包括电力仿真如RLC 支路和负载、变压器、线路、避雷器、电子机器、电力电子器件等等。在Simulink 的窗口中，图标信息可以通过简单的敲动和拖动鼠标的步骤集合在一起。电力系统模块库利用相同的图画和人机相互交流的图框来进入Simulink模块的参数。

在PSB中，电力系统用两个部分来描绘：状态空间模型来描绘线性电路，反馈模型（利用电流注入）来描绘非线性的元素。一个由电阻、电感、电容、和有互感的两个电感组成的线性电路的微分方程可以被写成两个状态方程的形式。在线性电路中，状态变量为电容的电压和电感的电流。输入的是电压和电流源，输出的是测量的电压和电流。

状态变量的制定允许利用各种固定步长和各种步长集合的算法。对于中小系统，变时间步长的算法经常是更快的，因为步数相对于固定时间步长算法较少。然而，对于包含很多状态或者如电力电子开关的非线性模块大系统，将电力系统分解开来是更有优势的。

非线性原件，例如饱和的变压器支路、变阻器、非线性电感、开关盒电子器件被利用非线性的电压电流关系来模拟。

初始化过程会在每次模拟开始时被执行。这个过程会计算电流状态空间的描述，证实电路是否满足电力规则并且建立电力网络的Simulink模型。PSB图像界面也包括一个可以建立电容电压和电感电流的初始情况的交互式的工具。

当仿真正在进行时，仿真的结果会被现实在Simulink的示波器上。用户可以使用一系列的MATLAB的函数和工具盒来处理和绘制保存在MATLAB工作空间的波形。

B.PSB在电力系统仿真中的优势

·Simulink的变步长事件敏感性综合算法在电流过零检测时相对（无插入值）固定步长算法增加准确度。

·利用持续变步长的时间步长的集成算法或离散系统都是适用的。对于包含大量

状态或例如电力电子开关、电力系统的离散化的非线性模块的大规模系统，相对变时间步长方法拥有更快速的模拟。

·Simulink的图形界面提供了用户友好型的环境，在其中电力电路和控制系统在同一图形中被显示出来。模拟时模拟结果就可以显示出来。

·Matlab的处理的魅力是它允许用户对模拟结果进行复杂的后处理。·Simulink/PSB库文件中提供大量的模型（机器，电力电子器件和控制模块等）允许模型驱动、设备管理控制与时间调度程序和传统电力器件的快速发展。

C. PSB在电力系统仿真中的劣势

变时间步长的集成的利用被限制在中小规模的系统中（尤其是在少于30个电力状态和12个开关的系统中）。

II．PSPICE作为电力系统暂态的模拟和仿真工具

A.PSPice程序

SPICE（集成电路的通用模拟程序）是一种通用的电路模拟程序，它是在1975年的加州大学伯克利分校被提出来的。SPICE可以执行非线性的直流、非线性的暂态和线性的交流分析。加上一些标准的电阻、电感、电容元件，传输线和一些半导体器件的形式的模拟也是可以的。

在时域分析中，电路的方程可以由改进型节点法列出。迭代法当支路的电流和节点的电压集中到一定的公差以内才会结束，直流和暂态的结论都可以用迭代过程得以完成。

基本的SPICE输入和输出界面在文本文件中被完成。输入文件提供里电路的描述而输出文件包括了在模拟过程的中的仿真和具体的数值结果。

SPICE代码被传输到不同的商业软件上，并且赋予它们附加的特性，比如模拟和子电路库、行为模型、图像的预处理和后处理等。这些讨论都是针对Pspice A/D（来自Orcad），SPICE最受欢迎的版本之一。

Pspice A/D数据的输入通过允许用户利用来自不同库里的模型和支路来建立的电路图来实现。基本的元件库包括电源、模拟、数字和行为元件。

一些半导体制造厂家也建立了一些包括特定模型，例如分立元件和集成电路的这样的一些元件库。“Library Editor”这个部分允许用户建立他们自己的元件库，以帮助应用。为了模拟电力变流器，电力半导体器件模型（如晶闸管、MOSFETs和IGBTs等）是可以被应用的。电子设备的模型是不可以利用的，所以我们不得不用标准的设备模型（d-q模型），它是作为隐藏在“Model Editor”图标下的分支电路，来开发电子设备的模型。电路图可以放置在几张相互连通的页面上，并且他们被分割成几个功能单元（子系统）。

在仿真开始前，Orcad Capture将会进行电力规则的检验并且产生一个电路的文件包含网络表格和会被Pspice处理的电路描述。

Pspice的计算工具是基于Pspice算法的。动态的元件（电容和电感）被手册指南上的模型所模拟。因此电路的方程组是代数的并且用一种特殊的基于梯形和工具集成的算法来在每一个模拟电解出方程。为了适应误差估计的公式的程序，时间步长是自动调整的。用户的规定选择包括最大步长格式、相对和最精确的电压和电流、最精确的负荷、每一条支路的最小电导、直流和偏差迭代限制、暂态时间点迭代限制和标准温度。

Pspice可以控制非线性电路元件（饱和变压器、压敏电阻）和控制系统（限幅器、滞环比较器、非线性转换器）。Pspice A/D可以完成包括模拟和数字的混合信号的模拟。

仿真的结果会被存储在一个数据输出文件中，这个文件被图像化的后处理，这样就允许数据绘制出来以提供一些数据分析的功能。

B. Pspice在电力系统仿真中的优点

·一个数据输入的用户友好的界面（原理图捕捉）和输出数据处理。

·电子部件详细的模拟。

·大量电子元件库（包括一些电力电子器件）和控制集成电路。

·有能力模拟混合信号（模拟信号和数字信号）的系统。

C. Pspice在电力系统仿真中的缺点

·仿真不是相互作用的。

·在集成处理中，用户不能够过多的控制。

·电子设备和电力部件的模型（特别是三相部件）是不被允许的。这些模型的建立和开发需要大量的时间。

III．总结

Pspice适合于中型的电力系统和Simulink中利用变步长算法和利用混合步长算法的电力电子电路。PSB元件库包括基本的元件，同时也包括很多已经建立好的子系统。利用Simulink模块的控制系统可以很自然地集成成为电力系统模型。MATLAB/Simulink的计算能力可以在模拟仿真以后再处理以被更优势地利用。

Pspice是一款非常流行的电路模拟软件，得益于它易于使用、大量可以利用的器件模型的元件库以及合理的大小等特点。

在电力系统的研究中，Pspice非常适用于器件水平的小规模系统的模拟：电力变换器的电压和电流的研究、缓冲器电路的设计、变压器的暂态分析等