电力电子建模与仿真

在处理电力电子设计时，必须考虑几个方面。在一个系统中，我们可以识别不同的元素，例如散热、电气特性、控制系统和保护。许多测试和测量公司将开发过程用作开发过程的有用工具。在对新仿真工具 SIMBA 背后的开发人员的采访中，我们分析了电力电子仿真的不同观点。

SIMBA 是一种新的电力电子仿真环境。SIMBA 的主要开发人员 Emmanuel Rutovic 说：“我们的目标是为学生和业余爱好者创建一个足够简单但又足够快速和强大的平台来处理最复杂的用例。”

电力电子工程师使用仿真工具来开发电源转换器和电机驱动系统。该模型提供了评估设备不同配置和探索不同参数组合的影响以及了解组件特性如何影响效率和响应时间等的可能性。该模型可以包含不同保真度级别的组件变体，允许您从简单的线性表示开始，然后逐步发展到复杂的非线性行为。

“我们还提供了一个独立的 Python 包，其中包含数百个函数，可以直接访问 SIMBA，例如创建电路、修改参数、运行模拟和检索结果。这个 Python 模块为基于高级参数分析和机器学习的电力电子转换器设计的新工作流程打开了大门。”伊曼纽尔·鲁托维奇说。

什么是模型？

模型是物理对象或整个系统的表示。仿真是查看基于模型的系统在特定条件下如何工作的过程。

构建模型的目的是尽可能忠实地表示给定的真实现象，以便能够对系统的未来状态进行预测。由于它是一个简化版本，模型中只考虑要分析的现象的各个方面。

因此，数学模型描述了一种现象或系统的演变：通过提供输入数据，模型返回输出数据。因此，如果输出接近在观察真实现象时所做的测量，则该模型将是有效的。

数学模型通常由各种类型的方程表示，这些方程必须用已知的数学方法求解。在这样的方程中，我们可以找到参数，即无法操纵的量，以及变量。

电力电子仿真模型可分为静态模型和动态模型。后者用于从规划和运行的角度评估大多数经典电力系统的技术性能问题。

对于建模，仿真相当于传统设计的原型设计。除了允许对在真实系统中难以获得的建模系统行为进行评估之外，由于其可重构性，仿真允许在广泛的条件下研究系统，以了解模型对它所代表的系统的代表性指。

获得对电力系统模型准确性的信心至关重要，因为这些模型对于系统本身的开发和运行非常可靠。

“我们包含了称为预测时间步长求解器的新一代仿真引擎。您花了多长时间调整仿真求解器参数（时间步长、容差……）以找到仿真速度和精度之间的最佳折衷方案？“预测时间步长”会自动找到并使用最佳时间步长来模拟系统的所有时间常数和事件，而不会影响准确性。这种创新方法带来了最高水平的准确性和性能。”伊曼纽尔·鲁托维奇说。

Predictive Time-Step 是一种新型瞬态求解器，旨在克服电力电子仿真的挑战，例如分析各种时间常数（开关瞬态、开关频率、控制系统、热……）、不连续事件和尺寸模型本身。

图1：SIMBA的界面（来源：Simba）

电源转换

转换器模型包含广泛的时间常数，这些时间常数在模拟过程中不断演变。此类分析中的时间挑战是设计人员必须牢记的一个重要考虑因素。在切换事件期间拥有正确的时间步长会导致良好模型和仿真的有效性。

“我们开发了 OTSF（最佳时间步长查找器）算法，该算法在瞬态仿真开始时和每次切换事件后都会调用。这种创新算法分析每个模型和整个电路，以确定在给定时间使用的最佳时间步长，”Rutovic 说

可靠的电力模拟所需的另一个关键方面是时间不连续事件的准确性。在 SIMBA 中，不连续性是开关事件或控制事件，例如状态改变比较器。在这些事件发生时准确地模拟它们是极其重要的。

“我们创新的 NDETE（下一个不连续事件时间估计器）算法与主求解器并行运行。它的目标是减少控制或切换事件之前的时间步长。”

SIMBA 仿真引擎基于修正节点分析。与经典节点分析相比，修正节点分析允许对理想电压源和开关进行建模，在速度和精度方面具有优势。

节点分析的另一个优点是它可以很好地扩展。其他方法，如其他工具中使用的状态空间分析，不使用稀疏矩阵。这导致系统大小（节点数）和计算时间之间的二次关系。相反，节点分析矩阵是稀疏的（全零），如果使用高效的稀疏矩阵求解器，计算时间会随着节点的数量线性增长，这是一个主要优势。

建模是仿真的基本初步阶段，因为它允许通过数学、逻辑、统计、语言等方法，为仿真系统提供必要的功能机制，以模拟正在设计的系统的行为。模型在可修改性和可重构性方面的灵活性允许模拟器在所有可能的条件下操作建模系统，以研究其行为并验证其用于生产目的。

SIMBA 目前处于公开测试阶段，可供所有人免费使用。此公开测试版的目的是收集用户的反馈。

审核编辑：汤梓红