电力电子系统的 PSIM+MATLAB 联合仿真方法 李洁，王伟，李晓妮，钟彦儒 西安理工大学，陕西西安金花南路 5 号 710048 电子邮箱：lijie@xaut.edu.cn JOINT SIMULATION METHOD OF PSIM+MATLAB FOR POWER ELECTRONIC SYSTEMS LI Jie, WANG Wei, LI Xiao-ni, ZHONG Yan-ru Xi’an University of Technology, 710048 ABSTRACT: A new idea of joint simulation with PSIM and MATLAB is proposed in order to meet the requirements of those power electronic systems that need more elaborate modeling both in system level and in circuit-level. The proposed joint simulation method is illustrated by the example of analysis of the deadtime effect in voltage source inverters. It is shown that the method can make PSIM and MATLAB give full play to their strengths, simplify the process of the establishment of the simulation models, extend to the application occasions maximum extent, and greatly accelerate the simulation speed. KEY WORDS: simulation；PSIM； MATLAB； power electronics systems 摘要：针对一些要求仿真建模细致程度同时兼顾系统层面及 线 路 层 面 的 电 力 电 子 系 统 仿 真 需 求 ， 提 出 了 用 PSIM+MATLAB 联合建立仿真模型的新思路。以电压源逆 变器的死区效应分析为例，示范了 PSIM+MATLAB 联合仿 真方法。可见该方法可充分发挥 PSIM 及 MATLAB 各自的 优势，简化建立仿真模型的过程，最大限度扩展了适用场合， 大大加快仿真速度。 关键词：仿真；PSIM；MATLAB；电力电子系统 1 引言 近年来计算机仿真技术在电力电子领域得到 了广泛的应用，促进了电力电子产品研发水平的提 高，改善了电力电子产品的性能，缩短了产品的设 计周期。目前,应用较多的电力电子线路（或系统） 专用仿真软件有 Cadence/OrCAD/Pspice 、PSIM、 Saber 等。此外，功能强大的 MATLAB 也提供了电 力系统模块库 PowerSystem Blocksets。 在电力电子装置的设计过程中，通常我们会从 基金项目：国家自然科学基金（60804040）、西安理工大学博士 启动基金（105-210617） 不同层面去考查装置各部分的设计是否得到了优 化。例如，对于装置的主电路拓扑而言，我们希望 仿真软件能够在线路层面上提供精确的仿真波形， 像开关器件的开通、关断过程也尽可能模拟地精确； 而以优化控制部分的设计为目标对系统进行仿真 时，主电路拓扑的细节在某些情况下即使只是被粗 糙地建模，也不会对控制系统的设计产生本质的影 响，这时我们反而有希望仿真软件在控制部分有简 捷、高效的建模方式。 在上述电力电子线路（系统）专用仿真软件中， Saber 功能最为强大，它可以仿真电力电子元件、 电路和系统。Saber 的仿真结果真实性好，与 PSpice 类似。但 Saber 的数据处理量也相当庞大，仿真速 度慢。而且由于 Saber 软件价格昂贵、使用也较为 复杂，不利于推广，目前大型企业应用较多。而 PSpice 虽然其仿真波形可以十分逼近电路实验结 果，对电路拓扑设计有重要指导意义。但 PSpice 的 求解器收敛性较差，对闭环系统仿真时很难收敛。 PSIM 以理想化的元件模型建模，而且同时提供了 功率级电路和控制电路中的常用元件模型，采用较 为简单的梯形法求解系统方程，仿真速度快，可兼 顾线路与系统层面的仿真需求。尽管 PSIM 也提供 了与 C 语言等的接口，可生成 dll 文件以创建用户 自定义模型模块，但与 MATLAB 相比所能实现的 控制策略与控制部分的建模方便程度还远不及 MATLAB。而 MATLAB 的 PowerSystem Blocksets 作为电力系统模块库，元件模型的精细程度是电网 级的，仿真的研究目标是暂态稳定和继电保护等问 题，与电力电子装置的研究目标不在一个层面上。 最突出的问题表现在对软开关拓扑的仿真上， MATLAB 开关器件模型与吸收电路固定连接，如果 

不使用吸收电路仿真往往很难收敛甚至不收敛，即 使收敛得到的仿真结果也与实际的软开关过程差别 较大，甚至得到错误的仿真波形。 综上所述，到目前为止还没有哪一款软件能够 做到面面俱到地在电力电子系统设计的各各层面都 有令人满意的表现。因此，本文提出一种折中的方 法来解决这个问题，即建模时同时使用 PSIM 与 MATLAB，扬长避短，使 PSIM 和 MATLAB 各自 发挥其长处，实现快速、精准的系统级和线路级仿 真。 2 仿真方法介绍 PSIM 自 6.0 版 本 起 提 供 了 与 MATLAB/ Simulink 的接口程序 SimCoupler。系统中使用 PSIM 实 现 的 部 分 在 MATLAB/Simulink 环境中用 SimCoupler 模块（见图 1）表示， 用 In/Out Link Node （见图 2）与 Simulink 连 接 ， 其 它 部 分 用 图 1 SimCoupler 模块 SimCoupler Simulink 提供的模型建模，所以我们可以充分利用 PSIM 在功率仿真方面的能力和 Matlab/Simulink 在 控制仿真方面的能力。 图 2 In/Out Link Node 具体设置方法如下： PSIM 中 1、使用 ElementControlSimCoupler Module In/Out Link Node 菜单项放置连接结点； 2、使用 SimulateGenerate Netlist File 菜单项 生成.cct 文件； Simulink 中 1、把 Psim 软件里 SimCoupler 等 DLL（动态 链接库）所在目录设为 MATLAB 搜索路径或当前 目录； 2、新建 mdl，copy 一个 Simcoupler 模块，连 图； 图 3 联合仿真时 PSIM 部分的仿真模型 

SVPWM Voltage Source Inverter SVPWM module is developed by M-file S-function Li Jie 2008-12-10 SVPWM_A em MATLAB Function SVPWM SimCoupler Scope1 V_AtoC I_A svpwmvsi3dtS.mat To File sin sin wt -K- pu2radpersec w t Clock cos Look-Up Table rem Math Function 0.1 F_ref (pu) 0.5 M_ref (SI) 1/4000 Ts 图 4 联合仿真时 MATLAB 部分的仿真模型 图 5 仿真结果在 Scope1 中的显示（反色处理后） 3、修改 Simcoupler 模块的属性，设定 cct 文件。 分析为例，如果单纯使用某一种仿真软件，很难做 3 仿真实例 以SVPWM 驱动的电压源逆变器死区效应仿真 到在控制、拓扑层面同时兼顾。篇幅所限，这里只 介绍如何用 PSIM+MATLAB 联合仿真的方法来对 死区效应问题建立仿真模型。 

PC 的相同状况下分别运行，完全用 Simulink 搭建 的仿真模型用时 10179.327s，而联合模型用时仅为 1086.772s，约为 Simulink 模型的 1/10。可见仿真效 率得到很大的提高。 4 结论 为需要兼顾控制策略与线路细节的仿真分析 问题提供了新的仿真模型搭建思路，即充分发挥 PSIM 及 MATLAB 各自的优势，用它们联合搭建仿 真模型。由仿真示例可以看出，用此方法搭建仿真 模型具有建立模型简单快捷、仿真速度大跨度加速 的优点，可进一步缩短开发周期。 参考文献 [1] PSIM6.0 使用指南[z] [2] MATLAB Simulink 用户手册（英文）[z] [3] 王高林，于 泳，杨荣峰，徐殿国：感应电机空间矢量 PWM 控 制逆变器死区效应补偿究[J]．中国电机工程学报，2008，28(15)： 79-83． 收稿日期：2009 年 1 月 14 日 作者简介： 李洁(1976—)，女，陕西富平，博士，副教授，研究方向为高性能交流 调速系统、矩阵变换器 图 3 所 示 为 对 此 电 力 电 子 系 统 建 立 PSIM+MATLAB 联合仿真模型时的 PSIM 部分仿真 模型，主要包括系统的功率电路及死区控制逻辑部 分。左边虚线框中为负责读取 Simulink 数据的 In Link Node；右边虚线框中为负责向 Simulink 输出数 据的 Out Link Node。 图 4 所示为在 Simulink 中建立的整个系统的仿 真模型，其中控制部分仿真模型由 MATLAB 库模 块搭建，PSIM 中建模的部分用 SimCoupler 模块代 表，并与 Simulink 在仿真过程中交换数据。 图 5 所示为 5Hz 时的仿真结果，在 Scope1 中 显示的第一行波形为SVPWM M 文件S 函数发生的 SVPWM A 相 信 号 的 比 较 值 （ 马 鞍 波 ）， 送 入 SimCoupler 模块的“modulator_A” In Link Node。 第二行波形为 VSI 输出线电压。第三行波形为 A 相 输出电流。可以看出使用 PSIM+MATLAB 联合仿 真的方法简化了电力电子系统细致仿真模型的建立 过程。 如果有新的死区消除或死区补偿方法、策略需 要做仿真论证、分析，可以利用 MATLAB 的强大 功能简便地建立该方法、策略的仿真模型，进行有 效分析。 为了证明该仿真方法具有高效性，又建立了一 个完全用 MATLAB/Simulink 实现的系统模型，在 同样的工况下仿真 20s，仿真参数相同，在同一台