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本帖最后由 Ericon 于 2014-8-20 13:49 编辑
1. 更利于模型实时实现的建模仿真方法电力系统的建模与仿真科研人员已经研究多年，目前主流和经典的算法是基于EMTP类的算法，但EMTP方法在应对电力电子系统的仿真方面有不足之处。 StarSim基于状态方程的建模与仿真算法，同传统EMTP类方法相比，能更好的处理电路的拓扑变化，相同的步长下，在拓扑变化点实现更好的仿真精度，有利于模型的实时实现。
电力电子系统却是一个典型的拓扑频繁切换的系统，EMTP类的方法的主要挑战却刚好在如何应对开关开通和关断（系统拓扑变化）时系统状态量微分的突变。在拓扑变化的时刻，状态量（电感电流与电容电压）是连续的，但是系统的状态量的微分（电感电压与电容电流）会发生突变。
（1）
（2）
其中
为拓扑变化时刻。 EMTP方法中的注入电流量往往和状态量的微分有关， 拓扑变化后, 如不考虑状态量微分的突变， 直接往前积分将引起数值振荡和发散的问题。但对于基于状态方程的方法来说，因为它形成了关于状态量微分的解析表达，式(3)，
（3）
（4）
其中x为状态向量。 它可以根据状态量在拓扑变化前后是连续的，式（4）， 来根据式（3）精确计算出拓扑变化后的状态量微分
。这样使得状态方程法取得更准确的仿真结果，以及更好的抑制由未恰当的处理好状态量的微分突变而引起的数值振荡问题。
下面将具体通过1个经典算例展现StarSim的性能。这是一个简单的一阶Buck电路，这个电路可以推导出电感电流的解析解，本文对比了StarSim与SimPowerSystems （选取的是Discrete仿真方法, 在此设置下SimPowerSystems采用的是先离散每个元件的类EMTP方法）的仿真结果，可以看到StarSim对拓扑变化点处理的明显比Simulink要好。
StarSim是基于labview的仿真软件，LabVIEW是美国National Instruments公司的产品，它是一款图形化的编程软件，在科研和工程人员中实用广泛。同时LabVIEW的图形化编程也很适合用来表达控制算法和控制框图，但是由于LabVIEW没有相应的建模和仿真软件，所以在这方面的应用一直受到了限制。StarSim等效给LabVEIW这个平台提供了一个类似SimPowerSystems的软件。 而这个软件平台的创新，使得我们也可以满足一些快速控制原型的客户需求，即客户可以把经StarSim验证过的LabVIEW控制算法直接下载到NI硬件，快速实现控制器，具体流程如下图所示。这样的方式可以帮助工程师克服传统的自制和调试PCB板的控制器研发中存在的周期长，自制硬件可靠性差等问题。
图：控制器快速原型
2. 基于FPGA的大步长实时仿真算法电力电子系统仿真需要小步长的本质原因是需要及时的检测到控制脉冲的跳变，并根据最新的脉冲电平高低来更新系统的拓扑与状态。StarSim的算法是基于一个FPGA加工业实时计算机的平台，FPGA的步长非常小（更新频率非常高），可以及时的检测到脉冲的跳变，实时计算机的步长稍大些。FPGA系统可以通过高采样率来监视控制器发出的脉冲信号，记录下脉冲信号在实时计算机的两个状态更新点之间（实时计算机的一个步长）是否有高低电平的跳变，记录下跳变的次数、以及每次跳变的时刻和跳变后信号电平。并将这些信息传递给实时计算机, PXI实时计算机将通过下面两种方式来利用这些信息使得仿真系统在较大的步长下就可以实现对电力电子系统的准确仿真。
a.平均值法
平均值法的基本思想是来之PWM的等效原理，它根据FPGA记录下控制脉冲的跳变信息，以及电路的状态（电流）来推导出变流桥的输出电压在实时计算机一个步长内的等效平均数值。实时计算机再根据这个等效值完成从上一个状态点到这个状态点的更新。
下面将通过一个具体的例子来展示平均值法的效果。这个例子是一个永磁同步电机系统的仿真的例子，蓝 {MOD}的曲线是SimPowerSystems在2微秒的步长下的仿真结果(用来作为参考)，红 {MOD}的结果是利用平均值法在50微秒的大步长下的仿真结果。第一幅图是整体的结果比对，第二幅图将0.048秒到0.056秒的细节放大，可以看到我们的大步长平均值法有很好的仿真精度，同时大步长的方法将极大的节约计算量，有利于仿真程序在硬件上的实时运行。
b.分步积分法
用这种方法时，实时计算机将利用脉冲跳变的时刻来将一个较大的仿真步长切割成几个小的步长， 并根据跳变后的电平来决定系统的数学模型， 就可以使得仿真计算时的系统模型始终都对应着正确的物理拓扑，从而实现对电力电子系统的准确仿真。整个方法的示意图如下：
平均值法的优点是计算量小，不足之处是这个方法等效是在用一个滑动窗（窗长为实时计算机的仿真步长）平均小步长时的仿真结果，仿真波形和小步长的略有区别，但好处是因为计算量小（只需要一步积分，比较适合复杂大系统的仿真）。分步积分法比较适合对仿真波形要求高，系统比较小的场合。
3. 拓扑生成电力电子系统是一个拓扑不断变化的系统，而求得每个拓扑对应的数学模型往往需要花费不少计算时间，为了确保仿真的实时性，实时仿真程序往往需要提前生成仿真中会遇到的所有的拓扑数学方程。
4. 仿真的硬件实现StarSim另一个重要的创新就是，电力电子仿真软硬件平台的创新。在硬件方面，目前电力系统的实时仿真方案基本都是基于提供商自己专有的昂贵的硬件系统，本项目计划通过通用的PXI工业计算机来实现电力电子系统的实时仿真。PXI是一种工业PC，它是基于公开的PXI协议与标准， PXI计算机目前各行各业被广泛应用于测试，测量与控制的用途，目前主要的PXI供应商是美国的National Instruments公司。基于PXI这种商业现成可用的通用平台，可以让我们以更优的性价比来提供电力电子实时仿真解决方案。
图：硬件在环仿真系统
1. 更利于模型实时实现的建模仿真方法电力系统的建模与仿真科研人员已经研究多年，目前主流和经典的算法是基于EMTP类的算法，但EMTP方法在应对电力电子系统的仿真方面有不足之处。 StarSim基于状态方程的建模与仿真算法，同传统EMTP类方法相比，能更好的处理电路的拓扑变化，相同的步长下，在拓扑变化点实现更好的仿真精度，有利于模型的实时实现。
电力电子系统却是一个典型的拓扑频繁切换的系统，EMTP类的方法的主要挑战却刚好在如何应对开关开通和关断（系统拓扑变化）时系统状态量微分的突变。在拓扑变化的时刻，状态量（电感电流与电容电压）是连续的，但是系统的状态量的微分（电感电压与电容电流）会发生突变。
（1）（2）其中
为拓扑变化时刻。 EMTP方法中的注入电流量往往和状态量的微分有关， 拓扑变化后, 如不考虑状态量微分的突变， 直接往前积分将引起数值振荡和发散的问题。但对于基于状态方程的方法来说，因为它形成了关于状态量微分的解析表达，式(3)， （3） （4）其中x为状态向量。 它可以根据状态量在拓扑变化前后是连续的，式（4）， 来根据式（3）精确计算出拓扑变化后的状态量微分
。这样使得状态方程法取得更准确的仿真结果，以及更好的抑制由未恰当的处理好状态量的微分突变而引起的数值振荡问题。下面将具体通过1个经典算例展现StarSim的性能。这是一个简单的一阶Buck电路，这个电路可以推导出电感电流的解析解，本文对比了StarSim与SimPowerSystems （选取的是Discrete仿真方法, 在此设置下SimPowerSystems采用的是先离散每个元件的类EMTP方法）的仿真结果，可以看到StarSim对拓扑变化点处理的明显比Simulink要好。
StarSim是基于labview的仿真软件，LabVIEW是美国National Instruments公司的产品，它是一款图形化的编程软件，在科研和工程人员中实用广泛。同时LabVIEW的图形化编程也很适合用来表达控制算法和控制框图，但是由于LabVIEW没有相应的建模和仿真软件，所以在这方面的应用一直受到了限制。StarSim等效给LabVEIW这个平台提供了一个类似SimPowerSystems的软件。 而这个软件平台的创新，使得我们也可以满足一些快速控制原型的客户需求，即客户可以把经StarSim验证过的LabVIEW控制算法直接下载到NI硬件，快速实现控制器，具体流程如下图所示。这样的方式可以帮助工程师克服传统的自制和调试PCB板的控制器研发中存在的周期长，自制硬件可靠性差等问题。
图：控制器快速原型
2. 基于FPGA的大步长实时仿真算法电力电子系统仿真需要小步长的本质原因是需要及时的检测到控制脉冲的跳变，并根据最新的脉冲电平高低来更新系统的拓扑与状态。StarSim的算法是基于一个FPGA加工业实时计算机的平台，FPGA的步长非常小（更新频率非常高），可以及时的检测到脉冲的跳变，实时计算机的步长稍大些。FPGA系统可以通过高采样率来监视控制器发出的脉冲信号，记录下脉冲信号在实时计算机的两个状态更新点之间（实时计算机的一个步长）是否有高低电平的跳变，记录下跳变的次数、以及每次跳变的时刻和跳变后信号电平。并将这些信息传递给实时计算机, PXI实时计算机将通过下面两种方式来利用这些信息使得仿真系统在较大的步长下就可以实现对电力电子系统的准确仿真。
a.平均值法
平均值法的基本思想是来之PWM的等效原理，它根据FPGA记录下控制脉冲的跳变信息，以及电路的状态（电流）来推导出变流桥的输出电压在实时计算机一个步长内的等效平均数值。实时计算机再根据这个等效值完成从上一个状态点到这个状态点的更新。
下面将通过一个具体的例子来展示平均值法的效果。这个例子是一个永磁同步电机系统的仿真的例子，蓝 {MOD}的曲线是SimPowerSystems在2微秒的步长下的仿真结果(用来作为参考)，红 {MOD}的结果是利用平均值法在50微秒的大步长下的仿真结果。第一幅图是整体的结果比对，第二幅图将0.048秒到0.056秒的细节放大，可以看到我们的大步长平均值法有很好的仿真精度，同时大步长的方法将极大的节约计算量，有利于仿真程序在硬件上的实时运行。
b.分步积分法
用这种方法时，实时计算机将利用脉冲跳变的时刻来将一个较大的仿真步长切割成几个小的步长， 并根据跳变后的电平来决定系统的数学模型， 就可以使得仿真计算时的系统模型始终都对应着正确的物理拓扑，从而实现对电力电子系统的准确仿真。整个方法的示意图如下：
平均值法的优点是计算量小，不足之处是这个方法等效是在用一个滑动窗（窗长为实时计算机的仿真步长）平均小步长时的仿真结果，仿真波形和小步长的略有区别，但好处是因为计算量小（只需要一步积分，比较适合复杂大系统的仿真）。分步积分法比较适合对仿真波形要求高，系统比较小的场合。
3. 拓扑生成电力电子系统是一个拓扑不断变化的系统，而求得每个拓扑对应的数学模型往往需要花费不少计算时间，为了确保仿真的实时性，实时仿真程序往往需要提前生成仿真中会遇到的所有的拓扑数学方程。
4. 仿真的硬件实现StarSim另一个重要的创新就是，电力电子仿真软硬件平台的创新。在硬件方面，目前电力系统的实时仿真方案基本都是基于提供商自己专有的昂贵的硬件系统，本项目计划通过通用的PXI工业计算机来实现电力电子系统的实时仿真。PXI是一种工业PC，它是基于公开的PXI协议与标准， PXI计算机目前各行各业被广泛应用于测试，测量与控制的用途，目前主要的PXI供应商是美国的National Instruments公司。基于PXI这种商业现成可用的通用平台，可以让我们以更优的性价比来提供电力电子实时仿真解决方案。
图：硬件在环仿真系统
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