如何讓電力電子模擬更接近真實

Simulink是電力電子應用最廣的軟體，很適合用於驗證控制演算法。現在市面上有各種各樣的電路模擬軟體，比如Saber，PLECS，PSpice，LTSpice，PSIM，PSCAD等等。然而，最好用的，還是Simulink，因為裡面的模塊較多，能夠省很多力去搭建基礎模塊，例如PWM generator、各種變換、各種比較模塊。

然而，對比起PSpice，Simulink的弱點在於，他的power stage模塊不是很接近實際系統，都是一些理想的開關器件，新出的electroinics工具包相對更接近實際模型，但是仍然不夠。畢竟Simulink這個軟體大部分工科專業都會用。如果想要驗證一些難以解釋的現象，例如試驗中出現的overshoot，spikes，諧波等現象，還是需要用到SPICE模型，因此，這裡做個筆記，如何讓模擬更接近實際系統，這是我看一些高級玩家的心得。如果有錯誤或者缺漏，希望大家提供一些指正，多交流交流技術，有些方法我都沒試過。

1. 入門步驟：離散化。這個是最基本的。現在的控制大多是數字控制，模擬控制多數應用在較簡單，或者對速度要求較高的系統中。數字控制一般都用的是DSP或者FPGA實現，DSP的控制過程是這樣的：我們一般把控制寫到EPWM中斷中，每一個開關周期執行一次中斷。同時，採樣也是寫在PWM中斷裡面了，每次中斷，讀一次ADC。因此，你的模擬也需要這樣做。簡單的做法是，用Z變換把所有關於控制的模塊離散化。但是power stage的所有模塊，模擬的是實際的物理模型，因此，power stage的模塊需要和你的模擬步長一致，越小越好。當然，步長小模擬就慢，還是要看你的電腦性能了。Geek做法就是用S-function寫，以前我們實驗室的德國PhD就是這麼乾的，需要你對硬體和編程的理解比較高，而且工作量大。S-function可以做到和DSP程序接近，你需要把你的演算法全部寫成編程語言，簡單的可以寫成C，更牛的直接用MEX。S-function和硬體一樣的運行原理，都是初始化過後，就進入死循環，然後不停地更新變數、輸出循環，還可以自定義離散變數或者連續變數。另外，MEX格式的S-function不需要電腦再編譯一次，因此，相對較快。用代碼寫控制演算法的好處是：可以直接把你的DSP代碼放進去，這樣容易發現程序中的Bug，另外，換個人多半看不懂你的代碼，易於保密。但是壞處就是不好調，編程語言肯定不像控制模塊那麼易懂。

2. 中級步驟：PLECS和PSIM。PLECS相比於Simulink，對於電力電子更專業，PLECS專門針對電力電子變流器做了演算法上的優化，可以讓模擬更快一點，另外，PLECS可以讓你選擇開關的一些寄生參數。最最重要的是，PLECS提供熱模擬，你可以看到開關管的溫度，同時可以看到開關管的參數隨著溫度變化的過程。當然，需要模擬更精確，例如考慮冷卻，ANSYS應該更好，但是ANSYS不能做電路模擬。PLECS提供blockset和stand-alone版本，blockset直接集成到simulink裡面，stand-alone是單獨的，比blockset更快，但是需要你自己搭建一些基礎模塊，畢竟PLECS的toolbox不如Simulink那麼多，但是也足夠用了。

但是，對於開關管本身的參數，最好的軟體還是Saber和PSpice，這兩個軟體可以直接對半導體進行物理建模，而且你可以自己按照測試結果修改模型。Saber可以和Simulink對接，控制做到Simulink裡面，power stage放到Saber裡面，這樣就非常精確了。Saber的問題在於跑得慢，而且Saber演算法不容易收斂，不適合MMC，微網這種複雜系統。PSIM也可以，PSIM自帶的開關模型不是特別好，但是PSIM可以添加SPICE模型進去，所以，你可以模擬Cgd，Cgs，Rrrs等開關寄生參數，這個對於你發現問題是有好處的。PSIM還有一個比較強大的功能是，可以直接編譯成DSP代碼，目前提供四個DSP型號，TI的28335在裡面。MATLAB也有這個功能，但是不是專門針對於DSP。PSpice也是支持Simulink的，把PSpice模型放到Simulink，可以讓兩者一起跑，用法和Saber一樣。

3.土豪方案：硬體在環HIL。需要硬體支撐的。電腦做模擬，基本都是離線的模擬，一般來說，如果是開關頻率級別的模擬，用電腦跑，一秒可能都需要三四分鐘，甚至幾個小時。對於有些情況，我們需要實時模擬，例如，有些發散是需要很長時間才能看到，你別想指望用Simulink跑10分鐘，你的電腦內存撐不住，實時模擬可以。HIL便宜的可以用Typhoon，貴的可以上RTDS或者OPAL-RT。後兩者確實很貴，隨便一台就好幾萬美元了，而且，OPAL-RT主要用於系統層級的模擬，想要到開關頻率級別，例如20kHz，那就要上他們的頂級裝備，確實一般買不起。Typhoon對於一些簡單一點的系統，還是能夠仿得不錯的，HIL603的步長最小到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，可以大大提高模擬精度。現在有不少文章都是這麼幹得，弄一個演算法，一個HIL+Dspace驗證一下，就能弄一篇Trans，這個算是文章神器吧。我用過Typhoon做模擬，不得不說，這個東西還不夠成熟，很多時候很簡單的一個電路，跑出來的結果有時候和Simulink完全不同，到現在也沒弄懂是為什麼，所以，上這個步驟的還是需要慎重。

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