在處理電力電子設計時，必須考慮幾個方面。在一個系統(tǒng)中，我們可以識別不同的元素，例如散熱、電氣特性、控制系統(tǒng)和保護。許多測試和測量公司將開發(fā)過程用作開發(fā)過程的有用工具。在對新仿真工具 SIMBA 背后的開發(fā)人員的采訪中，我們分析了電力電子仿真的不同觀點。

SIMBA 是一種新的電力電子仿真環(huán)境。SIMBA 的主要開發(fā)人員 Emmanuel Rutovic 說：“我們的目標是為學生和業(yè)余愛好者創(chuàng)建一個足夠簡單但又足夠快速和強大的平臺來處理最復雜的用例。”

電力電子工程師使用仿真工具來開發(fā)電源轉(zhuǎn)換器和電機驅(qū)動系統(tǒng)。該模型提供了評估設備不同配置和探索不同參數(shù)組合的影響以及了解組件特性如何影響效率和響應時間等的可能性。該模型可以包含不同保真度級別的組件變體，允許您從簡單的線性表示開始，然后逐步發(fā)展到復雜的非線性行為。

“我們還提供了一個獨立的 Python 包，其中包含數(shù)百個函數(shù)，可以直接訪問 SIMBA，例如創(chuàng)建電路、修改參數(shù)、運行模擬和檢索結(jié)果。這個 Python 模塊為基于高級參數(shù)分析和機器學習的電力電子轉(zhuǎn)換器設計的新工作流程打開了大門。”伊曼紐爾·魯托維奇說。

什么是模型？

模型是物理對象或整個系統(tǒng)的表示。仿真是查看基于模型的系統(tǒng)在特定條件下如何工作的過程。

構建模型的目的是盡可能忠實地表示給定的真實現(xiàn)象，以便能夠?qū)ο到y(tǒng)的未來狀態(tài)進行預測。由于它是一個簡化版本，模型中只考慮要分析的現(xiàn)象的各個方面。

因此，數(shù)學模型描述了一種現(xiàn)象或系統(tǒng)的演變：通過提供輸入數(shù)據(jù)，模型返回輸出數(shù)據(jù)。因此，如果輸出接近在觀察真實現(xiàn)象時所做的測量，則該模型將是有效的。

數(shù)學模型通常由各種類型的方程表示，這些方程必須用已知的數(shù)學方法求解。在這樣的方程中，我們可以找到參數(shù)，即無法操縱的量，以及變量。

電力電子仿真模型可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型。后者用于從規(guī)劃和運行的角度評估大多數(shù)經(jīng)典電力系統(tǒng)的技術性能問題。

對于建模，仿真相當于傳統(tǒng)設計的原型設計。除了允許對在真實系統(tǒng)中難以獲得的建模系統(tǒng)行為進行評估之外，由于其可重構性，仿真允許在廣泛的條件下研究系統(tǒng)，以了解模型對它所代表的系統(tǒng)的代表性指。

獲得對電力系統(tǒng)模型準確性的信心至關重要，因為這些模型對于系統(tǒng)本身的開發(fā)和運行非常可靠。

“我們包含了稱為預測時間步長求解器的新一代仿真引擎。您花了多長時間調(diào)整仿真求解器參數(shù)（時間步長、容差……）以找到仿真速度和精度之間的最佳折衷方案？“預測時間步長”會自動找到并使用最佳時間步長來模擬系統(tǒng)的所有時間常數(shù)和事件，而不會影響準確性。這種創(chuàng)新方法帶來了最高水平的準確性和性能。”伊曼紐爾·魯托維奇說。

Predictive Time-Step 是一種新型瞬態(tài)求解器，旨在克服電力電子仿真的挑戰(zhàn)，例如分析各種時間常數(shù)（開關瞬態(tài)、開關頻率、控制系統(tǒng)、熱……）、不連續(xù)事件和尺寸模型本身。

圖1：SIMBA的界面（來源：Simba）

電源轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換器模型包含廣泛的時間常數(shù)，這些時間常數(shù)在模擬過程中不斷演變。此類分析中的時間挑戰(zhàn)是設計人員必須牢記的一個重要考慮因素。在切換事件期間擁有正確的時間步長會導致良好模型和仿真的有效性。

“我們開發(fā)了 OTSF（最佳時間步長查找器）算法，該算法在瞬態(tài)仿真開始時和每次切換事件后都會調(diào)用。這種創(chuàng)新算法分析每個模型和整個電路，以確定在給定時間使用的最佳時間步長，”Rutovic 說

可靠的電力模擬所需的另一個關鍵方面是時間不連續(xù)事件的準確性。在 SIMBA 中，不連續(xù)性是開關事件或控制事件，例如狀態(tài)改變比較器。在這些事件發(fā)生時準確地模擬它們是極其重要的。

“我們創(chuàng)新的 NDETE（下一個不連續(xù)事件時間估計器）算法與主求解器并行運行。它的目標是減少控制或切換事件之前的時間步長。”

SIMBA 仿真引擎基于修正節(jié)點分析。與經(jīng)典節(jié)點分析相比，修正節(jié)點分析允許對理想電壓源和開關進行建模，在速度和精度方面具有優(yōu)勢。

節(jié)點分析的另一個優(yōu)點是它可以很好地擴展。其他方法，如其他工具中使用的狀態(tài)空間分析，不使用稀疏矩陣。這導致系統(tǒng)大小（節(jié)點數(shù)）和計算時間之間的二次關系。相反，節(jié)點分析矩陣是稀疏的（全零），如果使用高效的稀疏矩陣求解器，計算時間會隨著節(jié)點的數(shù)量線性增長，這是一個主要優(yōu)勢。

建模是仿真的基本初步階段，因為它允許通過數(shù)學、邏輯、統(tǒng)計、語言等方法，為仿真系統(tǒng)提供必要的功能機制，以模擬正在設計的系統(tǒng)的行為。模型在可修改性和可重構性方面的靈活性允許模擬器在所有可能的條件下操作建模系統(tǒng)，以研究其行為并驗證其用于生產(chǎn)目的。

SIMBA 目前處于公開測試階段，可供所有人免費使用。此公開測試版的目的是收集用戶的反饋。

審核編輯：湯梓紅