如何让电力电子仿真更接近真实~
发布时间：
2021-10-11 11:38
来源：
Simulink是电力电子应用广的软件，很适合用于验证控制算法。现在市面上有各种各样的电路仿真软件，比如Saber，PLECS，PSpice，LTSpice，PSIM，PSCAD等等。
然而，对比起PSpice，Simulink的弱点在于，他的power stage模块不是很接近实际系统，都是一些理想的开关器件，新出的electroinics工具包相对更接近实际模型，但是仍然不够。毕竟Simulink这个软件大部分工科专业都会用。如果想要验证一些难以解释的现象，例如试验中出现的overshoot，spikes，谐波等现象，还是需要用到SPICE模型，因此，这里做个笔记，如何让仿真更接近实际系统，这是我看一些高级玩家的心得。如果有错误或者缺漏，希望大家提供一些指正，多交流交流技术，有些方法我都没试过。
首先，一个完整的项目步骤，应该是明确问题、文献调研、提出方案，理论建模、设计参数，仿真验证，设计硬件，实验验证几步。好的仿真模型，可以给实验提供参考，例如控制参数、代码bug等等。如果你的仿真模型和硬件十分接近，可能你设计的控制参数就能直接套用，而不需要花很多时间试凑参数。
1.入门步骤：离散化。这个是基本的。现在的控制大多是数字控制，模拟控制多数应用在较简单，或者对速度要求较高的系统中。数字控制一般都用的是DSP或者FPGA实现，DSP的控制过程是这样的：我们一般把控制写到EPWM中断中，每一个开关周期执行一次中断。同时，采样也是写在PWM中断里面了，每次中断，读一次ADC。因此，你的仿真也需要这样做。简单的做法是，用Z变换把所有关于控制的模块离散化。但是power stage的所有模块，模拟的是实际的物理模型，因此，power stage的模块需要和你的仿真步长一致，越小越好。当然，步长小仿真就慢，还是要看你的电脑性能了。Geek做法就是用S-function写，以前我们实验室的德国PhD就是这么干的，需要你对硬件和编程的理解比较高，而且工作量大。S-function可以做到和DSP程序接近，你需要把你的算法全部写成编程语言，简单的可以写成C，更牛的直接用MEX。S-function和硬件一样的运行原理，都是初始化过后，就进入死循环，然后不停地更新变量、输出循环，还可以自定义离散变量或者连续变量。另外，MEX格式的S-function不需要电脑再编译一次，因此，相对较快。用代码写控制算法的好处是：可以直接把你的DSP代码放进去，这样容易发现程序中的Bug，另外，换个人多半看不懂你的代码，易于保密。但是坏处就是不好调，编程语言肯定不像控制模块那么易懂。
2.中级步骤：PLECS和PSIM。PLECS相比于Simulink，对于电力电子更专业，PLECS专门针对电力电子变流器做了算法上的优化，可以让仿真更快一点，另外，PLECS可以让你选择开关的一些寄生参数。重要的是，PLECS提供热仿真，你可以看到开关管的温度，同时可以看到开关管的参数随着温度变化的过程。当然，需要模拟更精确，例如考虑冷却，ANSYS应该更好，但是ANSYS不能做电路仿真。PLECS提供blockset和stand-alone版本，blockset直接集成到simulink里面，stand-alone是单独的，比blockset更快，但是需要你自己搭建一些基础模块，毕竟PLECS的toolbox不如Simulink那么多，但是也足够用了。
但是，对于开关管本身的参数，好的软件还是Saber和PSpice，这两个软件可以直接对半导体进行物理建模，而且你可以自己按照测试结果修改模型。Saber可以和Simulink对接，控制做到Simulink里面，power stage放到Saber里面，这样就非常准确了。Saber的问题在于跑得慢，而且Saber算法不容易收敛，不适合MMC，微网这种复杂系统。PSIM也可以，PSIM自带的开关模型不是特别好，但是PSIM可以添加SPICE模型进去，所以，你可以模拟Cgd，Cgs，Rrrs等开关寄生参数，这个对于你发现问题是有好处的。PSIM还有一个比较强大的功能是，可以直接编译成DSP代码，目前提供四个DSP型号，TI的28335在里面。MATLAB也有这个功能，但是不是专门针对于DSP。PSpice也是支持Simulink的，把PSpice模型放到Simulink，可以让两者一起跑，用法和Saber一样。
3.土豪方案：硬件在环HIL。需要硬件支撑的。电脑做仿真，基本都是离线的仿真，一般来说，如果是开关频率级别的仿真，用电脑跑，一秒可能都需要三四分钟，甚至几个小时。对于有些情况，我们需要实时仿真，例如，有些发散是需要很长时间才能看到，你别想指望用Simulink跑10分钟，你的电脑内存撑不住，实时仿真可以。HIL便宜的可以用Typhoon，贵的可以上RTDS或者OPAL-RT。后两者确实很贵，随便一台就好几万美元了，而且，OPAL-RT主要用于系统层级的仿真，想要到开关频率级别，例如20kHz，那就要上他们的顶级装备，确实一般买不起。Typhoon对于一些简单一点的系统，还是能够仿得不错的，HIL603的步长zui小到0.5微秒。另外，typhoon提供DSP拓展卡，直接可以把你的DSP control card放到typhoon上面跑，可以大大提高仿真精度。
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