如何讓電力電子仿真更接近真實~

　    Simulink是電力電子應用廣的軟件，很適合用于驗證控制算法?，F在市面上有各種各樣的電路仿真軟件，比如Saber，PLECS，PSpice，LTSpice，PSIM，PSCAD等等。
　　然而，對比起PSpice，Simulink的弱點在于，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這個軟件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，這里做個筆記，如何讓仿真更接近實際系統，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。
　　首先，一個完整的項目步驟，應該是明確問題、文獻調研、提出方案，理論建模、設計參數，仿真驗證，設計硬件，實驗驗證幾步。好的仿真模型，可以給實驗提供參考，例如控制參數、代碼bug等等。如果你的仿真模型和硬件十分接近，可能你設計的控制參數就能直接套用，而不需要花很多時間試湊參數。
　　1.入門步驟：離散化。這個是基本的?，F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，采樣也是寫在PWM中斷里面了，每次中斷，讀一次ADC。因此，你的仿真也需要這樣做。簡單的做法是，用Z變換把所有關于控制的模塊離散化。但是power stage的所有模塊，模擬的是實際的物理模型，因此，power stage的模塊需要和你的仿真步長一致，越小越好。當然，步長小仿真就慢，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就是這么干的，需要你對硬件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和硬件一樣的運行原理，都是初始化過后，就進入死循環，然后不停地更新變量、輸出循環，還可以自定義離散變量或者連續變量。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，易于保密。但是壞處就是不好調，編程語言肯定不像控制模塊那么易懂。
　　2.中級步驟：PLECS和PSIM。PLECS相比于Simulink，對于電力電子更專業，PLECS專門針對電力電子變流器做了算法上的優化，可以讓仿真更快一點，另外，PLECS可以讓你選擇開關的一些寄生參數。重要的是，PLECS提供熱仿真，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不能做電路仿真。PLECS提供blockset和stand-alone版本，blockset直接集成到simulink里面，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那么多，但是也足夠用了。
　　但是，對于開關管本身的參數，好的軟件還是Saber和PSpice，這兩個軟件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里面，power stage放到Saber里面，這樣就非常準確了。Saber的問題在于跑得慢，而且Saber算法不容易收斂，不適合MMC，微網這種復雜系統。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，這個對于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在里面。MATLAB也有這個功能，但是不是專門針對于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：硬件在環HIL。需要硬件支撐的。電腦做仿真，基本都是離線的仿真，一般來說，如果是開關頻率級別的仿真，用電腦跑，一秒可能都需要三四分鐘，甚至幾個小時。對于有些情況，我們需要實時仿真，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，實時仿真可以。HIL便宜的可以用Typhoon，貴的可以上RTDS或者OPAL-RT。后兩者確實很貴，隨便一臺就好幾萬美元了，而且，OPAL-RT主要用于系統層級的仿真，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對于一些簡單一點的系統，還是能夠仿得不錯的，HIL603的步長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。