基于PSIM 和MATLAB 的電路聯合仿真

柯奕辰，陳國初，許移慶，朱志權

（1.上海電機學院電氣學院，上海201306；2.上海電氣風電集團，上海201306）

0 引言

隨著步入互聯網時代，計算機技術的持續(xù)發(fā)展和傳統電力電子領域的持續(xù)熱門，使得兩者開始逐步結合，因此計算機仿真技術在電力電子領域得到了大量應用。目前，MATLAB、PSIM、Cadence/OrCAD/PSpice和Saber 等電力電子仿真軟件的不斷涌現，有效縮短了系統的開發(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 同時兼容模擬、數字和控制量的混合仿真，能在不同技術不同領域中使用，但是其價格高昂，操作復雜，目前多在大型企業(yè)中使用。PSpice 軟件的圖形界面友好，簡單易懂，能夠實現復雜電路的仿真，但是由于在求解器收斂性方面的劣勢不適合完成閉環(huán)系統的仿真。PSIM 應用廣泛，采用理想化建模如將半導體功率器件等效成理想開關，便于工程師對電路原理和系統本身的理解，仿真效率高[1,2]。PSIM 能夠解決大多數軟件仿真時間長的問題，但不適用于控制系統的仿真。MATLAB 中的Sim Power Systems 提供了包括IGBT 模塊、AC 和DC 電機模型在內的多個模型進行建模仿真，尤其在控制策略仿真中優(yōu)勢明顯，但是在電力電子軟開關拓撲的仿真中得到的結果常與真實結果有較大出入[3,4]。因此，隨著仿真要求的進一步提高，為了滿足復雜電路系統的綜合仿真的需要，如何利用仿真軟件各自的優(yōu)勢完成仿真任務將是電力電子電路仿真的未來趨勢。

在設計電力電子線路時，由于PSIM 能在線路方面產生精確的波形因此多采用PSIM 作為仿真軟件；而對于以優(yōu)化系統參數為目標的設計時，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]。但是在完成一個復雜電路的設計時，對于線路和系統兩個方面都有較高的要求，例如采用SVPWM驅動的電壓源逆變器等。此時單個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 進行聯合仿真的方法即在PSIM 中完成拓撲結構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軟件的不同優(yōu)勢，完成仿真目標。

1 聯合仿真模塊

PSIM 自6.0 版本起提供了SimCoupler 交互接口模塊，能夠實現與MATLAB/Simulink 的聯合仿真。如圖1 所示,SimCoupler Model 模塊中包含輸入和輸出接口，在進行聯合仿真時通過In Link Node 接收來自Simulink 的數據，通過Out Link Node 向Simulink 輸出數

據。即可實現數據的交互，完成復雜的仿真任務[7]。

圖1 交互接口模塊

2 聯合仿真的步驟

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。

（2）在PSIM 的Simulate 菜單欄中選擇Generate netlist file 生成后綴為.cct 的網絡表文件，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 文件所在的目錄設置為當前路徑。

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

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

（4）修改Simulation parameters 中的參數，完成設定后運行仿真，實現電力電子的聯合仿真。特別地，當Simulink 中設定的仿真步長和時間等參數與PSIM 中設定的參數存在差異時，輸出的仿真結果應按Simulink 為準。

3 三相異步電機的聯合仿真

本文以三相異步電動機為例，如果單獨采用PSIM或者MATLAB 進行仿真，很難同時滿足控制與拓撲結構的要求。因此本文采用PSIM 結合MATLAB/Simulink 進行聯合仿真，并對仿真結果進行比較。圖2 為三相異步電動機在PSIM 中建立的模型，包括主電路和虛線框內的控制電路。

圖2 三相異步電動機的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置In Link Node 和Out Link Node。如圖3 所示，其中左邊虛線框內的In Link Node 接受來自Simulink 傳輸的控制信號，右邊兩個虛線框內的Out Link Node 分別向Simulink 傳輸數據，最終完成整個電路的閉環(huán)控制。

圖3 聯合仿真的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，進行數據交互。

3.3 聯合仿真結果

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

圖4 聯合仿真的MATLAB仿真模型

4 結語

為了同時滿足控制策略和電子線路方面的要求，通過PSIM 與MATLAB 進行聯合仿真，充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢并縮短了仿真時間。由仿真范例可知，聯合方法操作簡單，為其他復雜電路的仿真提供了一種新的方法。此外，由于控制策略單獨在MATLABSimulink 中完成，可通過例如粒子群算法等優(yōu)化算法對控制參數進行優(yōu)化，這對于電力電子設計與仿真的開發(fā)來說具體積極的意義。

圖5 仿真波形