基于PSIM 和MATLAB 的電路聯(lián)合仿真

柯奕辰，陳國(guó)初，許移慶，朱志權(quán)

（1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海201306；2.上海電氣風(fēng)電集團(tuán)，上海201306）

0 引言

隨著步入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和傳統(tǒng)電力電子領(lǐng)域的持續(xù)熱門，使得兩者開始逐步結(jié)合，因此計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在電力電子領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。目前，MATLAB、PSIM、Cadence/OrCAD/PSpice和Saber 等電力電子仿真軟件的不斷涌現(xiàn)，有效縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，研發(fā)的成本也大大降低。

在上述熱門的仿真軟件中，Saber 同時(shí)兼容模擬、數(shù)字和控制量的混合仿真，能在不同技術(shù)不同領(lǐng)域中使用，但是其價(jià)格高昂，操作復(fù)雜，目前多在大型企業(yè)中使用。PSpice 軟件的圖形界面友好，簡(jiǎn)單易懂，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜電路的仿真，但是由于在求解器收斂性方面的劣勢(shì)不適合完成閉環(huán)系統(tǒng)的仿真。PSIM 應(yīng)用廣泛，采用理想化建模如將半導(dǎo)體功率器件等效成理想開關(guān)，便于工程師對(duì)電路原理和系統(tǒng)本身的理解，仿真效率高[1,2]。PSIM 能夠解決大多數(shù)軟件仿真時(shí)間長(zhǎng)的問題，但不適用于控制系統(tǒng)的仿真。MATLAB 中的Sim Power Systems 提供了包括IGBT 模塊、AC 和DC 電機(jī)模型在內(nèi)的多個(gè)模型進(jìn)行建模仿真，尤其在控制策略仿真中優(yōu)勢(shì)明顯，但是在電力電子軟開關(guān)拓?fù)涞姆抡嬷械玫降慕Y(jié)果常與真實(shí)結(jié)果有較大出入[3,4]。因此，隨著仿真要求的進(jìn)一步提高，為了滿足復(fù)雜電路系統(tǒng)的綜合仿真的需要，如何利用仿真軟件各自的優(yōu)勢(shì)完成仿真任務(wù)將是電力電子電路仿真的未來趨勢(shì)。

在設(shè)計(jì)電力電子線路時(shí)，由于PSIM 能在線路方面產(chǎn)生精確的波形因此多采用PSIM 作為仿真軟件；而對(duì)于以優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)為目標(biāo)的設(shè)計(jì)時(shí)，MATLAB 憑借優(yōu)秀的建模能力和控制部分的便捷操作常被作為仿真軟件[5,6]。但是在完成一個(gè)復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于線路和系統(tǒng)兩個(gè)方面都有較高的要求，例如采用SVPWM驅(qū)動(dòng)的電壓源逆變器等。此時(shí)單個(gè)軟件很難滿足仿真的要求，因此考慮到PSIM 軟件友好的兼容性，提出一種PSIM+MATLAB 進(jìn)行聯(lián)合仿真的方法即在PSIM 中完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真而控制策略的仿真則在MATLAB中完成。這樣可以充分利用兩個(gè)軟件的不同優(yōu)勢(shì)，完成仿真目標(biāo)。

1 聯(lián)合仿真模塊

PSIM 自6.0 版本起提供了SimCoupler 交互接口模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)與MATLAB/Simulink 的聯(lián)合仿真。如圖1 所示,SimCoupler Model 模塊中包含輸入和輸出接口，在進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)通過In Link Node 接收來自Simulink 的數(shù)據(jù)，通過Out Link Node 向Simulink 輸出數(shù)

據(jù)。即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，完成復(fù)雜的仿真任務(wù)[7]。

圖1 交互接口模塊

2 聯(lián)合仿真的步驟

2.1 PSIM部分

（1）在PSIM 中完成主電路模型的搭建，然后在下拉菜單欄中依次選擇Elements/Control/SimCoupler Module/In/Out Link Node 放置輸入、輸出連接點(diǎn)。

（2）在PSIM 的Simulate 菜單欄中選擇Generate netlist file 生成后綴為.cct 的網(wǎng)絡(luò)表文件，并與主電路模型存放在同一路徑下。

2.2 Simulink部分

（1）打開MATLAB，將PSIM 中SimCoupler 文件所在的目錄設(shè)置為當(dāng)前路徑。

（2）在Simulink 環(huán)境中建立mdl 模型文件，將Sfunction 中SimCoupler 路徑下的SimCoupler Block 復(fù)制到mdl 文件。

（3）右鍵SimCoupler，將Property 設(shè)置為PSIM 文件中生成的cct 文件所在的路徑。成功設(shè)置后，Sim-Coupler 中的輸入輸出引腳將與PSIM 中In、Out Node的數(shù)量和位置對(duì)應(yīng)。

（4）修改Simulation parameters 中的參數(shù)，完成設(shè)定后運(yùn)行仿真，實(shí)現(xiàn)電力電子的聯(lián)合仿真。特別地，當(dāng)Simulink 中設(shè)定的仿真步長(zhǎng)和時(shí)間等參數(shù)與PSIM 中設(shè)定的參數(shù)存在差異時(shí)，輸出的仿真結(jié)果應(yīng)按Simulink 為準(zhǔn)。

3 三相異步電機(jī)的聯(lián)合仿真

本文以三相異步電動(dòng)機(jī)為例，如果單獨(dú)采用PSIM或者M(jìn)ATLAB 進(jìn)行仿真，很難同時(shí)滿足控制與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的要求。因此本文采用PSIM 結(jié)合MATLAB/Simulink 進(jìn)行聯(lián)合仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較。圖2 為三相異步電動(dòng)機(jī)在PSIM 中建立的模型，包括主電路和虛線框內(nèi)的控制電路。

圖2 三相異步電動(dòng)機(jī)的PSIM仿真模型

3.1 仿真PSIM模型

在PSIM 中打開已完整的電路模型，刪除電路中的控制部分并設(shè)置In Link Node 和Out Link Node。如圖3 所示，其中左邊虛線框內(nèi)的In Link Node 接受來自Simulink 傳輸?shù)目刂菩盘?hào)，右邊兩個(gè)虛線框內(nèi)的Out Link Node 分別向Simulink 傳輸數(shù)據(jù)，最終完成整個(gè)電路的閉環(huán)控制。

圖3 聯(lián)合仿真的PSIM仿真模型

3.2 MATLAB/Simulink模型

在Simulink 中建立的仿真模型如圖4 所示，黃色部分為SimCoupler 模塊，在Simulink 中代替PSIM 中的電路，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.3 聯(lián)合仿真結(jié)果

圖5 為聯(lián)合仿真得到的IGBT 的控制電流波形，觀察可得與PSIM 單獨(dú)仿真得到的波形一致，但是使用PSIM 聯(lián)合MATLAB 大大簡(jiǎn)化了細(xì)致建模的過程。此外，為顯示聯(lián)合仿真的優(yōu)勢(shì)，在同樣的參數(shù)條件下分別在PSIM 和MATLAB 中單獨(dú)建立完整電路圖。并在同一PC 的相同條件下進(jìn)行仿真，最終可得聯(lián)合仿真的時(shí)間最短。

圖4 聯(lián)合仿真的MATLAB仿真模型

4 結(jié)語

為了同時(shí)滿足控制策略和電子線路方面的要求，通過PSIM 與MATLAB 進(jìn)行聯(lián)合仿真，充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)并縮短了仿真時(shí)間。由仿真范例可知，聯(lián)合方法操作簡(jiǎn)單，為其他復(fù)雜電路的仿真提供了一種新的方法。此外，由于控制策略單獨(dú)在MATLABSimulink 中完成，可通過例如粒子群算法等優(yōu)化算法對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，這對(duì)于電力電子設(shè)計(jì)與仿真的開發(fā)來說具體積極的意義。

圖5 仿真波形