电力电子系统建模与控制1
电力电子系统建模控制与仿真_参考教材参考实例
x&(t) = A1x(t) + B1u(t)
(1)
y(t) = C1x(t) + E1u (t)
(2)
其中：x(t)为状态向量；u(t)为输入向量；A1 和 B1 分别为状态矩阵与输入矩阵； y(t)为输出变量；C1 和 E1 分别为输出矩阵和传递矩阵。
（2）关闭状态，时间为[dTs，Ts]： 可以写出的状态方程为：
{ò ò } = 1 Ts
t +dTs
t +Ts
t [ A1á x(t )ñTs + B1áu(t )ñTs ]dt + t+dTs [ A2 á x(t )ñTs + B2 áu(t )ñTs ]dt
(12)
整理可以得到：
áx&(t)ñTs = [d (t) A1 + d ¢(t) A2 ]áx(t)ñTs + [d (t)B1 + d ¢(t)B2 ]áu(t)ñTs
(13)
这就是 CCM 模式下的平均变量状态方程一般公式，其中 d(t) + d¢(t) = 1 。
用同样的方法可以求得
á y(t)ñTs = [d (t)C1 + d ¢(t)C2 ]á x(t)ñTs + [d (t)E1 + d ¢(t)E2 ]áu(t)ñTs
(14)
分解平均变量为：
状态变量： áx(t)ñTs = X + xˆ(t)
=1 Ts
t+Ts x&(t )dt
t
(10)
将(1)(3)代入(10)，可以得到：
ò ò áx&(t)ñTs
= 1( Ts
t+dTs x&(t )dt
《电力电子系统建模与仿真》题集
《电力电子系统建模与仿真》题集一、选择题（每题2分，共20分）1.在电力电子系统建模过程中，哪一种软件工具常被用于进行系统级仿真分析？（ ）A. Microsoft OfficeB. AutoCADC. MATLAB/SimulinkD. Photoshop2.PWM （脉宽调制）技术中，通过调节什么参数来控制开关管的导通时间？（ ）A. 电压幅值B. 电流频率C. 脉冲宽度D. 电容容量3.在Simulink环境中，哪个模块库提供了丰富的电力电子元件模型用于系统仿真？（ ）A. Simulink Control DesignB. SimPowerSystemsC. Communications System ToolboxD. Robotics System Toolbox4.电力电子系统建模的主要目的是什么？（ ）A. 提高系统美观性B. 分析和优化系统性能C. 增加系统复杂性D. 降低系统成本5.在进行电力电子系统仿真时，哪个因素对于仿真结果的准确性至关重要？（ ）A. 计算机的显示器尺寸B. 元器件模型的精度C. 仿真软件的安装位置D. 操作系统的版本6.SPWM （正弦脉宽调制）技术主要应用于哪种电力电子变换器？（ ）A. DC-DC变换器B. AC-DC整流器C. DC-AC逆变器D. AC-AC变频器7.PID控制器在电力电子系统中主要起什么作用？（ ）A. 增加系统噪声B. 提高系统稳定性C. 降低系统效率D. 增加系统功耗8.在电力电子系统仿真中，设置合适的仿真步长对结果有何影响？（ ）A. 不影响仿真结果B. 提高仿真速度但降低精度C. 平衡仿真速度和精度D. 只影响仿真过程中的动画效果9.电力电子系统中的核心元件是什么？（ ）A. 电阻和电容B. 电感和变压器C. 电力电子开关器件D. 传感器和执行器10.在进行DC-DC变换器仿真时，需要关注哪些性能指标？（ ）A. 变换效率和输出电压纹波B. 变换器的重量和体积C. 变换器的颜色和材质D. 变换器的生产厂家和品牌二、填空题（每题2分，共20分）1.电力电子系统建模中，常用的两种仿真方法是________________和________________。
电力电子系统建模与控制 教学大纲
电力电子系统建模与控制一、课程说明课程编号：090407Z10课程名称：电力电子系统建模与控制/Modeling and Analysis of Power Electronics System课程类别：专业课学时/学分：48（8）/3先修课程：电力电子技术，自动控制原理适用专业：电气工程及其自动化、电气工程卓越工程师、自动化课程类别：专业课教材、教学参考书：1.《电力电子系统建模与控制》，徐得鸿主编，机械工业出版社，2006年1月2.《电力电子学》，陈坚编著，高等教育出版社，2002年2月3.《电力电子装置及系统》，杨荫福等清华大学出版社，2006年9月4.《矩阵式变换器技术及其应用》，孙凯等编著，机械工业出版社，2007年9月二、课程设置的目的意义电力电子系统建模及控制是电气工程及其自动化、自动化专业的一门重要的专业课。
本课程重点介绍电力电子系统的动态模型的建立方法和控制系统的设计方法，并详细介绍开关电源、逆变器、UPS电源、DC/DC电源及矩阵变换器装置的基本组成、控制方式及其设计思想。
电力电子器件、装置及系统的建模与控制技术涉及功率变换技术、电工电子技术、自动控制理论等，是一门多学科交叉的应用性技术。
通过本课程的学习，使学生具有电力电子系统的设计和系统分析的能力，有利于促进我国电力电子产品和电源产品性能的提高。
三、课程的基本要求知识：掌握DC/DC、三相变流器、逆变器和矩阵变换器等电力电子变换器的动态建模方法；掌握DC/DC、三相变流器、逆变器和矩阵变换器等系统的控制方法；掌握开关电源、逆变器、UPS电源、DC/DC电源及矩阵变换器装置的基本组成、控制方式和设计思想。
能力：提高学生理论联系实际的能力，提高分析、发现、研究和解决问题的能力。
素质：通过电力电子系统建模控制系统的的分析与设计，着力于提升学生理论联系实践、理论应用于实践的综合素质。
四、教学内容、重点难点及教学设计五、实践教学内容和基本要求六、考核方式及成绩评定教学过程中采取讲授、讨论、分析、课外作业的方式进行，注重过程考核，考核方式包括：笔试、作业、讨论、辩论、课内互动等，过程考核占总评成绩的。
电力电子建模
令 d = D, vs = Vs ，则稳态（静态工作点）方程变为
⎧⎪ AX
⎨ ⎪⎩ Y
=
+ BVs CT X
=
0
(1.21)
式中 X, Y 分别表示 x 和 y 的稳态量，A = DA1 + D′A2 ，B = DB1 + D′B2 ， CT = DC1T + D′C2T 。 式(1.21)也称为变换器的稳态状态空间平均方程。
连续平均法分为两种形式：
状态空间平均法：从变换器的不同拓扑下的状态空间方程出发，经过平均——小信号
扰动——线性化处理，得到表征变换器稳态和动态小信号特性的数学模型，最后也给出一个
统一的电路模型。
平均值等效电路法：从原变换器出发进行电路处理，最后得出一个等效电路模型。其
实，在推导平均值等效电路时只是处理电路中的开关元件，如开关晶体管和二极管等非线性
第 二 个 假 定 ： 开 关 频 率 fs 比 变 换 器 中 低 通 滤 波 器 的 转 折 频 率 fc 大 得 多 。 即
fs fc 。这一假定在实际变换器中是成立的，因为这与要求输出电压纹波比其平均值
要小得多是一致的。由于开关频率高，可以认为输入电压 vs 在一个开关周期中是不变的。
第三个假定：扰动信号的频率 f p 与开关频率 fs 比较是很低的，即 f p fs 。一般认为
电力电子变换器是一个可以精确建模的系统，只要知道它的拓扑结构及开关控制策略， 就可以用相应的分段微分方程来描述。即 cycle-by-cycle 方法。
缺点：这种电力电子变换器的模型却无法实际应用于变换器性能的分析。 原因：用于描述电力电子变换器模型的分段微分方程模型，是一个不连续的模型，对 于不连续模型目前还没有一种可供借鉴的精确数学分析方法。
电力电子建模控制方式及系统建模(ppt 48页)
uC(t) R
sLiL(s)=uin(s)(1D)uC(s)d(s)UC sCuC(s)=(1D)iL(s)d(s)ILuCR(2s3)
第2步. 根据S域状态方程求取传递函数
sLiL(s)=uin(s)(1D)uC(s)d(s)UC sCuC(s)=(1D)iL(s)d(s)ILuCR(s)
CduC(t) dt
(1d)iL(t)uC R (t)
17
第2步. 分离扰动
大信号模型
d L
iL(t) dt
=
uin(t)
(1d)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
uC(t)
Cd
uC(t) dt
=(1d)
iL(t)
uC(t) R
各平均变量和控制量d都包含了直流分量和低频小信 号分量，为大信号模型。
若要得出低频小信号模型，需要将直流分量和低频 小信号扰动进行分离。
22
3. 利用小信号解析模型求取传递函数
小信号建模的目的：研究占空比、输入电压的低频小 扰动对DC/DC变换器中的电压、电流稳定性的影响。
第1步. 拉 普拉斯变 换
设各状态 变量的初
值为零
LdidLt(t)=uin(t)(1D)uC(t)d(t)UC
CdudCt(t)
=(1D)iL(t)d(t)IL
18
令：
iL(t) =ILiL(t) uC(t) =UCuC(t) d=D d(t) uin(t) =Uinuin(t)
则状态方程改写为：
Ld[IL dtiL(t)]=[Uinuin(t)][1(Dd(t)][UCuC(t)] Cd[UC dtuC(t)]=[1(Dd(t)][ILiL(t)]UCRuC(t)
电力电子系统建模与控制作业.
（1）电感L计算 由 L (1 D)R 可得L=0.64mH，其中D为占空比，
2 f
R为负载电阻。
（2）电容C计算
由C
1
8 f
D 可得C=9.7656μF。 2L
2020/3/2
电力电子节能与传动控制河北省重点实验
2.1 输入电压突变
2020/3/2
电力电子节能与传动控制河北省重点实验室(燕山大学)
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3 Buck电路闭环仿真
3.2.5 在空载时开关管开始工作时的波形
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电力电子节能与传动控制河北省重点实验室(燕山大学)
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3 Buck电路闭环仿真
3.2.6 空载时开关管开始工作时的相关波形
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在5ms切换时会有能量回馈现象，在5.01ms切换时则没 有，下面以在5ms时切换负载为例进行说明。
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电力电子节能与传动控制河北省重点实验室(燕山大学)
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3 Buck电路闭环仿真
3.2.2 整体波形
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电力电子节能与传动控制河北省重点实验室(燕山大学)
13/共23页
仿真电路如左图所示。在5ms 时，输入电压由100V突变为120V， 其仿真波形如左下图所示；在5ms 时，输入电压由100V突变为80V， 其仿真波形如右下图所示。
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输出电压
电感电流
电力电子节能与传动控制河北省重点实验室(燕山大学)
电感电流 输出电压
5/共**页
2 Buck电路开环仿真
电力电子节能与传动控制河北省重点实验室(燕山大学)
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3 Buck电路闭环仿真
高精度波形控制电源系统建模与控制技术
线性控制策略/重复控制
z n H ( z) 1 z n e njwTs 1 e njwTs
• • •
当：e
njwTs
1
时
H ( z)
因此，重复控制器在基波及其倍频点上具有无穷大增益，相当于无穷多个 PR控制器。 重复控制器对阶跃扰动的响应有1周期的延时。 Q(z)接近1时稳定性较差。
多种频率成分在控制环内的传播
考虑采样造成的多种频率成分的多 频率成分模型
多频率成分对开环特性造成的影响
仿真计算高频模型与低频模型 幅频特性与相频特性的差异
实际电路中测得的幅频和相频 特性曲线
平均模型高频失效的根源
• 平均处理抹掉了开关频率附近的高频成分。 • 对于开环传函具有显著低通滤波特性的系统 ，高频成分被抑制，对系统行为影响有限， 因此忽略掉以后影响也不大。 • 对于高频成分抑制较少的系统，高频成分对 系统行为影响大，因此忽略掉以后误差显著 。
23/34
开环幅频特性
波形控制器的设计/增益与稳定性的矛盾
• 开环增益的限制
20log|Go(s)|
不稳定 临界稳定
稳定
w
Go(s)
-180°
• 相位滞后达到-180°的频率点决定最高开环截止频率。 • 最高开环截止频率决定最大开环增益。 24/34
线性控制策略/PID控制
+ C(s) -
R(s)
•
对电流环加入“采样-保持”效应修正环节
对平均模型的修正
• 修正后的电流环Bode图
• 相位在高频持续滞后，预言 系统会发生振荡。 • 与实际情况相符。
对平均模型的修正
• 带宽极限问题
– 在平均模型中，通过补偿可以使系统开环截 止频率接近甚至超过开关频率，且仍然稳定 。 – 实际情况是，控制环带宽接近1/5~1/10开关 频率时，无论如何补偿，系统仍然难以稳定 。
电力电子系统建模与控制
无功补偿与有功滤波
利用电力电子装置实现无功补偿和谐波治理 ，提高电力系统的电能质量。
电机驱动系统
电机控制策略
通过建模和控制算法，实现电机的高效、精准控制，提高电机驱动系统的性能。
电机驱动系统保护
通过电力电子系统建模，实现电机驱动系统的过流、过压和欠压保护，确保系统的安全 运行。
电力电子系统建模与 控制
目录
• 电力电子系统概述 • 电力电子系统建模 • 电力电子系统控制 • 电力电子系统应用 • 电力电子系统发展趋势与挑战 • 电力电子系统建模与控制案例研究
01
电力电子系统概述
定义与特点
定义
电力电子系统是指利用电力电子器件 进行电能转换和控制的系统，主要实 现电能的转换、调节和控制。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
状态空间平均模型
总结词
状态空间平均模型是一种用于分析电力电子转换器稳态性能的数学模型，它将转换器的动态过程简化为一个平均 值系统。
详细描述
状态空间平均模型通过在一定的时间周期内对状态变量进行平均来消除系统的动态特性。这种方法适用于分析转 换器的稳态性能和直流分析，但不适用于分析系统的动态特性和交流分析。
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灵活交流输电系统
研究基于电力电子技术的灵活交流输电系统，实 现电网的灵活控制和调度，提高电网的抗干扰能 力和稳定性。
智能配电网
利用电力电子技术优化智能配电网的运行和控制， 实现分布式能源和储能系统的集成应用。
电力电子系统在可再生能源领域的应用
风力发电系统
光伏发电系统
利用电力电子技术优化光伏发电系统的转换效率和 可靠性，降低光伏发电成本和提高发电量。
电力电子系统建模及控制
电力电子系统建模及控制
电力电子系统建模及控制是一门重要的学科，它涉及到电力电子系统中的信号处理、控制原理以及系统建模的研究。
它涵盖了多个相关领域，如软件工程、数字信号处理、系统建模和控制原理等。
电力电子系统包括电力电子设备、电力系统以及其他相关系统。
这些系统通常会有许多不同的参数来描述它们的特性，而建模和控制就是用这些参数来构建系统的过程。
在建模阶段，将根据系统的特性构建出一套非常复杂的数学模型。
这些模型可以使用各种数学工具，如微分方程、拉格朗日方程、拟合函数等，来描述系统的行为。
这些模型是系统动态行为的抽象，可以用来对系统进行仿真、诊断和预测。
在控制阶段，将根据系统模型及其参数，构建出一套控制系统，以便系统能够自动调节参数，以达到预期的性能目标。
这种控制技术的应用，可以让系统更加稳定，并且在参数变化的情况下仍能保持系统的正常工作。
电力电子系统建模及控制在电力电子系统中起着重要的作用，可以使系统更加稳定，提高系统的性能和可靠性。
电力电子系统建模及控制也为新型可再生能源发电系
统、电力系统安全性评估以及智能电网技术等领域的应用提供了可能性。
电力电子系统建模及控制
电力电子系统建模及控制
电力电子系统建模与控制是一项集合了电力电子技术、计算机技术、系统设计以及控制理论的新型技术。
它的应用主要包括高压直流
输电、变压抗歪、感性电路控制、高压交流输电、电动机控制等方面。
电力电子技术是一种有效提高设备性能和系统稳定性的重要途径，它
可以改造传统电力系统，以提高系统智能化和灵敏性，使得系统整体
性能提升。
电力电子系统的模型是建立电力电子控制系统的基础，可以有效
地描述和表达电力电子设备的工作特性和运行原理。
控制算法，能够
计算出操纵量的变化以达到控制目标，以提升电力设备的运行效率和
系统的可靠性。
此外，在建模和控制技术的发展中还要考虑智能化系统设计问题，基于模型预测控制等理论，利用机器学习、深度学习等数据挖掘技术，建立模型以及设计智能控制算法，以满足不断变化的工程需求。
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第1章绪论
1.1 电力电子系统的组成
1.1 电力电子系统的组成
1.1 电力电子系统的组成
1.1 电力电子系统的组成
1.1 电力电子系统的组成
1.1 电力电子系统的组成
1.2 电力电子系统建模目的
1.2 电力电子系统建模目的
1.3 电力电子电路模型分类与建模方法
1.3 电力电子电路模型分类与建模方法
1.3 电力电子电路模型分类与建模方法
型
1.3 电力电子电路模型分类与建模方法
1.3 电力电子电路模型分类与建模方法
1.3 电力电子电路模型分类与建模方法
1.3 电力电子电路模型分类与建模方法
1.4 电力电子电路建模特点建模过程：
1.4 电力电子电路建模特点
．器件模型的适用性
1.5 电力电子系统仿真技术的发展
1.5 电力电子系统仿真技术的发展
More automation
自动化流水生产线
Automatic Assembly Line
1.6 本课程关注的焦点
教学安排
教学安排。