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电力电子系统的PSIM


第 44 卷第 5 期 2010 年 5 月

电力电子技术

Power Electronics

Vol.44 , No.5 May ,2010

电力电子系统的 PSIM+Matlab 联合仿真方法
李 洁, 王 伟 , 钟彦儒
710048 )
( 西安理工大学

, 陕西 西安

摘要 : 针 对 一 些 要 求 仿 真 建 模 细 致 程 度 较 高 同 时 兼 顾 系 统 层 面 及 线 路 层 面 的 电 力 电 子 系 统 仿 真 , 提 出 了 用 PSIM+ Matlab 联合建立仿真模型的新思路 。 以电压源逆变器的死区效应分析为例 ,示范了 PSIM+Matlab 联合仿真方法 。 该方 法可充分发挥 PSIM 及 Matlab 各自的优势 , 简化建立仿真模型的过程 , 最大限度扩展适用场合 , 大大加快了仿真速度 。 关键词 : 仿真 ; 电力电子系统 ; 线路 中图分类号 :TP391.9 文献标识码 :A 文章编号 :1000-100X (2010 )05-0086-03

Joint Simulation Method of PSIM+Matlab for Power Electronic Systems
LI Jie, WANG Wei , ZHONG Yan-ru
(Xi ’an University of Technology , Xi ’an 710048 , China )

Abstract:A new idea of joint simulation with PSIM and Matlab is proposed in order to meet the requirements of those power electronic systems that need more elaborate modeling both in system level and in circuit -level.The proposed joint simulation method is illustrated by the example of analysis of the deadtime effect in voltage source inverters.It is shown that the method can make PSIM and Matlab give full play to their strengths ,simplify the process of the establishment of the simulation models ,extend the application occasions to maximum extent ,and greatly accelerate the simulation speed. Keywords :simulation ; power electronic systems ; circuit Foundation Project:Supported by National Natural Science Foundation of China (No.60804040 );Doctor Starting Fouda tion of Xi ’an University of Technology (No.105-210617 )

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需求 。 PSIM 应用于功率级电路的仿真时具有明显的 优势 , 系统层面的仿真能力相对弱一些 。 尽管 PSIM 也提供了与 C 语言等的接口 , 可生成 dll 文件以创 建用户自定义模型模块 , 所能实现的控制策略以及 对 控 制 部 分 的 建 模 方 便 程 度 还 远 不 及 Matlab 。 而 Matlab 的 PowerSystem Blocksets 作为电力系统模块 库 ,元 件 模 型 的 精 细 程 度 是 电 网 级 的 ,仿 真 的 研 究 目标是暂态稳定和继电保护等问题 , 与电力电子装 置的研究目标不在一个层面上 , 最突出的问题表现 在 对 软 开 关 拓 扑 的 仿 真 上 。 Matlab PowerSystem Blocksets 的开关器件模型与吸收电路固定连接 [2], 如 果不使用吸收电路 , 仿真往往很难收敛甚至不收敛 ; 即使仿真收敛 , 得到的仿真结果也与实际的软开关 过程差别较大 , 甚至会得到错误的仿真波形 。 但无论 如何 Matlab 在控制方面的建模 、 仿真优势是任何软 件都无法比拟的 。 在电力电子装置的设计过程中 , 通常会从不同 层面去考查装置各部分的设计是否得到了优化 。 例 如 ,对 于 装 置 的 主 电 路 拓 扑 而 言 ,希 望 仿 真 软 件 能 够在线路层面上提供较为精确的仿真波形 , 这时多 使用 PSpice 或 PSIM ; 而以优化控制参数为设计目 标在系统层面进行仿真时 , 在某些情况下主电路拓 扑即使只是被非常粗糙地建模甚至是以比例环节 代替 , 也不会对控制系统的设计产生本质的影响 。 这时用 Matlab 仿真就比较适合 , 因为它对控制部分 有简捷 、 高效的建模方式和强大的建模能力 。

近年来计算机仿真技术在电力电子领域得到了 广泛应用 , 促进了电力电子产品研发水平的提高 , 改 善了电力电子产品的性能 , 缩短了产品的设计周期 。 目前 , 应用较多的电力电子线路 ( 或系统 ) 专用 仿真软件有 Cadence/OrCAD/PSpice ,PSIM ,Saber 等 。 此外 , 功能强大的 Matlab 也提供了电力系统模块库

PowerSystem Blocksets。
在上述电力电子线路 ( 系统 ) 专用仿真软件中 ,

Saber 功能最为强大 , 它可以仿真电力电子元件 、 电 路和系统 。 Saber 的仿真结果真实性好 , 与 PSpice 类
似 , 而其数据处理量相当庞大 , 仿真速度慢 ; 而且由 于 Saber 软件价格昂贵 、 使用也较为复杂 , 不利于推 广 , 目前在大型企业应用较多 。 PSpice 的仿真波形可 以十分逼近电路实验结果 , 对电路拓扑设计有重要 指导意义 , 但其求解器收敛性较差 , 对闭环系统仿真 时很难收敛 。 PSIM 以理想化的元件模型建模 , 同时 提供了功率级电路和控制电路中的常用元件模型 , 采用较为简单的梯形法求解系统方程 , 仿真速度 快 , 并可在一定程度上兼顾线路与系统层面的仿真
[1]

基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (60804040 ); 西 安 理 工 大 学 博 士启动基金 (105-210617 ) 定稿日期 : 2009-06-09 作者简介 : 李 洁 (1976- ), 女 , 陕西富平人 , 博士 , 副教授 , 研 究方向为高性能交流调速系统 、 矩阵变换器 。

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电力电子系统的 PSIM+Matlab 联合仿真方法

有时也会出现需要同时兼顾线路层面与系统层 面的仿真需求 , 例如三电平变换器中的中点电位平 衡控制 、 随机 PWM 调制的变换器等 。 这时就会发现 仅用一款仿真软件很难满足这些场合的仿真要求 。 因此 , 提出一种 PSIM+Matlab 联合仿真的方法来为 这些需要同时在线路和系统层面都达到一定准确度 要求的仿真提供可行 、 高效的解决方案 , 即建立仿真 模 型 时 使 用 PSIM 搭 建 功 率 级 电 路 部 分 的 模 型 , 使 用 Matlab 建 立 控 制 系 统 部 分 的 模 型 。 这 样 就 使

统的功率电路及死区控制逻辑部分 。 左边虚线框中 为负责读取 Simulink 数据的 In Link Node; 右边虚线 框中为负责向 Simulink 输出数据的 Out Link Node。

PSIM 和 Matlab 各自发挥其长处 , 实现快速 、 细致的
电力电子系统仿真 。

2

仿真方法介绍

PSIM 自 6.0 版 本 起 提 供 了 与 Matlab/Simulink 的接口程序 SimCoupler 。 系统使用 PSIM 实现的部分 在 Matlab/Simulink 环境中用 SimCoupler 模块表示 , 在 PSIM 模 型 中 用 In/Out Link Node 与 Simulink 连 接 。 以 PSIM 6.0 与 Matlab R13 联合仿真为例 , 具体
的联合建模及仿真设置方法如下 : (1)PSIM 中 ①使用 Element→Control→SimCoupler Module→

图1

联合仿真时 PSIM 部分的仿真模型

图 2 示出在 Simulink 中建立的整个系统的仿真 模 型 。 其 中 控 制 部 分 仿 真 模 型 由 Matlab 库 模 块 搭 建 ,SVPWM 发生采用 Matlab Function 建模 。

In/Out Link Node 菜 单 项 放 置 连 接 结 点 ; ② 使 用 Simulate→Generate Netlist File 菜单项生成 cct 文件 。 生成的 cct 文件可在相应的 sch 文件路径下看到 。 (2)Simulink 中 ① 将 PSIM 软件中的 SimCoupler 等 dll ( 动态链 接库 ) 文 件 所 在 的 目 录 设 为 Matlab 的 搜 索 路 径 或 当前路径 ; ② 从 PSIM 的例子文件向 Simulink 中建 立的 mdl 文件拷贝一个 Simcoupler 模块 ; ③ 将 鼠 标 停留在 Simcoupler 模块上点击右键修改 Simcoupler 模 块 的 Property , 设 定 为 PSIM 环 境 下 生 成 相 应 的 cct 文 件 的 路 径 及 文 件 名 。 如 果 设 定 正 确 , 此 时 SimCoupler 模块的输入 、 输出引脚个数在模块的图 形 上 会 变 得 与 PSIM 中 设 置 的 In,Out Node 的 个 数 一致 ;④ 设定 Simulink 的 Simulation Parameter , 运行 仿真 mdl 。 注意 , 如果 PSIM 的仿真参数 ( 如步长 、 仿 真时间长度等 ) 与 Simulink 的设定值不同 , 仿真时以 Simulink 为准 。

图2

联合仿真时 Simulink 部分的仿真模型

M 文件函数代码清单如下 : function[y]=SVPWM_sim_v2(M,sin,cos,ωt,t,T_pwm) U_alpha=M*cos ; U_beta=M*sin ; Sector=fix (3*(mod(ωt,2*pi))/pi)+1; X=U_beta ; Y=(sqrt(3)*U_alpha+U_beta )/2; Z=(-sqrt(3)*U_alpha+U_beta )/2; if (Sector==1 ) T=T_pwm.*[-Z X] ; Ta=(T_pwm-T(1)-T(2))/2; Tb=Ta+T(1); Tc=Tb+T(2); end if (Sector==2 ) T=T_pwm.*[Z Y] ; Taon=(T_pwm-T(1)-T(2))/2; 87

3

仿真实例

以 SVPWM 驱 动 的 电 压 源 逆 变 器 (Voltage Source Inverter , 简 称 VSI) 死 区 效 应 仿 真 分 析 为 例 , 如果单纯使用某一种仿真软件 , 很难做到在控制 、 拓 扑层面同时兼顾。 篇幅所限, 这里只介绍如何用

PSIM+Matlab 联合仿真方法建立死区效应分析仿真 模型 , 而关于 VSI 、 死区效应以及 SVPWM 等的相关
背景知识不再赘述 。 图 1 示出对此电力电子系统建立 PSIM+Matlab 联合仿真模型时的 PSIM 部分仿真模型 , 主要包括系

第 44 卷第 5 期 2010 年 5 月

电力电子技术

Power Electronics

Vol.44 , No.5 May ,2010

Tbon=Taon+T(1); Tcon=Tbon+T(2); Ta=Tbon; Tb=Taon; Tc=Tcon; end if (Sector==3) T=T_pwm.*[X -Y] ; Taon=(T_pwm-T(1)-T(2))/2; Tbon=Taon+T(1); Tcon=Tbon+T(2); Ta=Tcon; Tb=Taon; Tc=Tbon; end if (Sector==4) T=T_pwm.*[-X Z] ; Taon=(T_pwm-T(1)-T(2))/2; Tbon=Taon+T(1); Tcon=Tbon+T(2); Ta=Tcon; Tb=Tbon; Tc=Taon; end if (Sector==5) T=T_pwm.*[-Y -Z] ; Taon=(T_pwm-T(1)-T(2))/2; Tbon=Taon+T(1); Tcon=Tbon+T(2); Ta=Tbon; Tb=Tcon; Tc=Taon; end if (Sector==6) T=T_pwm.*[Y -X] ; Taon=(T_pwm-T(1)-T(2))/2; Tbon=Taon+T(1); Tcon=Tbon+T(2); Ta=Taon; Tb=Tcon; Tc=Tbon; end y=[Ta; Tb; Tc; Sector]; !"

PSIM 中 建 模 部 分 用 图 2 灰 色 模 块 SimCoupler
表示 , 并在仿真过程中与 Simulink 交换数据 。 图 3 示出频率指令 5 Hz 、 开关频率 4 kHz 时的 仿真结果 , 即分别为 SVPWM M 文件 S 函数发生的

SVPWM A 相信号比较值 TA ( 送入 SimCoupler 模块 的 “modulator_A ” In Link Node )、 滤波后的 VSI 输出 线 电 压 uAC 和 A 相 输 出 电 流 iA 波 形 。 可 见 使 用 PSIM+Matlab 联合仿真的方法简化了电力电子系统
细致仿真模型的建立过程 。

图3

仿真波形

为证明该仿真方法具有高效性 , 建立了一个完 全用 Matlab/Simulink 实现的系统模型 , 在同样的工 况下仿真 20 s, 仿真参数相同 , 在同一台 PC 的相同 状况下分别运行 , 完全用 Simulink 搭建的仿真模型 用时 10 179.327 s, 而联合模型用时仅为 1 086.772 s , 约为 Simulink 模型的 1/10 , 由此可见仿真效率得到 了很大提高 。

4





为需要兼顾控制策略与线路细节的仿真分析问 题提供了新的精细仿真模型搭建思路 , 即充分发挥

PSIM 及 Matlab 各自的优势 , 用它们联合搭建仿真
模型 。 由仿真示例可见 , 用该方法搭建仿真模型具有 建立模型简单快捷 、 仿真速度大跨度提高的优点 , 可 进一步缩短开发周期 。 另外 , 由于与 PSIM 联合在 Matlab/Simulink 中 建立了电力电子系统的模型 , 那么就可以采用如遗 传算法 、 免疫算法等优化算法来设计电力电子变换 器和系统的一些参数 , 尤其是控制参数 , 这对于改善 电力电子变换器的设计具有重要意义 , 可以在设计 理论不完善的情况下得到设定性能指标意义下最优 化的设计结果 。

参考文献
[1] Powersim Inc. ,PSIM User ’s Guide (Version 6.0 ) [DB/OL]. http ://www.powersimtech.com ,June 2003. [2] The MathWorks Inc. , Simulink 6 : Using Simulink[DB/OL]. http ://www.mathworks.com ,September 2006.

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