SimPowerSystems

主要特性

  • 针对具体应用的模型库,包括通用交流和直流驱动器、柔性交流输电系统 (FACT) 和可再生能源系统的模型
  • 离散和相量仿真模式可加快模型执行速度
  • 理想的切换算法,加速电力电子设备仿真
  • 分析获取电路状态空间表达式,设备潮流计算
  • 提供核心电气开发所需的基本模型
  • 能够使用 Simscape 语言扩展组件库
  • 支持 C 代码的生成
SimPowerSystems model of an asynchronous motor and diesel-generator uninterruptible power supply (UPS)
异步电动机和柴油发电机不间断电源 (UPS) 的 SimPowerSystems 模型(左)。Simulink 示波器(右)显示了定子的电流和异步电机的速度。

SimPowerSystems 支持开发复杂的自给型电力系统,例如汽车、飞机、制造厂中的电力系统,以及公共电力设施应用。您所创建的模型支持您的整个开发流程,包括硬件在环仿真。

电力系统建模

SimPowerSystems 为电机、变压器和电源转换器建模提供了组件库。您可以直接连接各个组件,如发电机、输电线路、断路器和电动机等,搭建电力系统模型。此外,还提供了特定应用的组件库,使您能够模拟电气驱动器、飞机供电网络和可再生能源系统。将这些系统与Simulink控制系统连接,您可以在同一个环境中测试集成的电力系统。

除了在 Simulink 中使用的传统输入-输出或者说信号流连接方式,SimPowerSystems 使用物理连接,允许能量的双向流动。使用物理连接构建的电力系统的模型(或非因果性模型)与其所表示的网络极其相似,易于理解和共享。

您可以为每一相使用单独的连接来定义三相连接,从而可以执行各项测试,如引入单相接地故障。您还可以创建单线线路图,其中,三个相位由一条线路表示,方便看懂线路图。SimPowerSystems 组件使用标幺制 (per-unit system) 进行参数化。这种方法在电力系统行业中广泛采用,简化了系统的参数化和分析。

SimPowerSystems model of a permanent magnet synchronous motor and inverter sized for use in a typical hybrid vehicle.
典型的混合动力汽车所使用的永磁同步电机和逆变器的 SimPowerSystems 模型(左)。该模型包括电力连接(单相和三相)和信号流连接,示波器(右)显示了 PMSM 中的定子电流。

创建自定义组件

您可以将其他物理建模产品的组件添加到 SimPowerSystems 模型。Simscape 中的基础库包含液压、热场、磁场和其他物理域的模块。可以使用物理连接将这些域集成到 SimPowerSystems 模型,帮助您在同一环境下对系统的其他部分进行建模。

Simscape 语言是一种基于 MATLAB 的面向对象的语言,使您能够创建自己的物理建模组件和库。您可以自定义组件,包括参数化、物理连接以及非因果隐式微分代数方程 (DAE)。在组件的 Simscape 语言文件中,您可以使用 MATLAB 来分析参数值,进行一些初级运算以及初始化系统变量。自定义组件的 Simulink 模块及其对话框都是从文件自动创建而来。

使用 Simscape 语言,您可以精确指定您的物理组件模型中需要考虑哪些影响。因此您可以在模型逼真度和仿真速度之间进行权衡。

Custom Simscape implementation of a permanent magnet synchronous motor, used as a generator.
做为发电机使用的永磁同步电机的自定义 Simscape 实现。MATLAB 编辑器显示了电气和机械运动方程组的 Simscape 语言源代码,示波器则显示负载的三相交流电流和直流电流。

仿真模型

您可以使用针对电力系统网络的三种仿真模式来仿真 SimPowerSystems 模型,另外还提供了一种理想切换算法,极大的提高了含有高频开关的系统的仿真性能。

连续方法通过变换步长大小来捕获系统动态,实现对电力系统模型的高精度仿真。离散方法可以让您选择时间步长的大小,控制仿真的精度。相量仿真使用系统在某一固定频率下的代数方程来取代微分方程表达式,可以对带有多台机器的系统进行暂态稳定性研究。

SimPowerSystems 中理想切换算法可以更快速准确地仿真带电力电子器件的系统。该算法计算系统状态空间表达式,而不是使用带高阻抗缓冲器的电流源来模拟电力电子器件。利用此方法,您可以更灵活地选择求解器,仿真时间也更短。

SimPowerSystems interface for selecting simulation options.
用于选择仿真选项的 SimPowerSystems 界面。支持连续仿真、离散仿真和相量仿真三种模式,还提供了理想切换算法选项加快仿真速度。

分析模型

SimPowerSystems 提供了用于分析模型、可视化仿真结果和计算高级模块参数的工具,使您能够:

  • 显示稳态电压和电流
  • 显示并修改初始状态值
  • 执行潮流计算和设备初始化
  • 执行谐波分析
  • 显示阻抗和频率关系图

潮流计算引擎可计算同步和异步机器中的初始电流。指定电路中所需的稳态机器条件后,SimPowerSystems 便进行潮流计算。随后,计算得到的转子位置、初始电流,以及内部通量会自动写入机器参数中。

您可以使用SimPowerSystems分析电力网络拓扑结构,并计算电路的等效状态空间模型,而不必运行仿真。您可将状态空间模型链接到 Control System Toolbox 中的 Linear System Analysis 应用程序,从而获得时域和频域响应。

The SimPowerSystems FFT analysis tool.
SimPowerSystems FFT 分析工具。显示了电压波形的频谱,以及通过计算总谐波失真得到的电力质量。

部署模型

您可以使用 Simulink Coder™ 生成代码,部署 SimPowerSystems 模型。生成的代码可用来:

  • 将 SimPowerSystems 被控对象模型部署到实时处理器上,与其他硬件直接连接,运行硬件在环仿真
  • 构建SimPowerSystems 模型的独立可执行文件,可以集成到 C 程序或其他 MATLABSimulink 模型
  • 编译 C 代码改进仿真速度
  • 在保护知识产权的前提下共享模型

共享模型

您可以与尚未购买 SimPowerSystems 的 Simscape 用户共享 SimPowerSystems。Simscape 用户可以利用 Simscape 编辑模式,查看、仿真和更改SimPowerSystems 模型参数值。因此,您的团队可以与使用 Simscape 的更多工程师共享 SimPowerSystems 模型。

使用 SimPowerSystems 模型
任务 模型开发人员
(购买 Simscape 和 SimPowerSystems)
模型用户
(购买 Simscape))
仿真
记录数据或更改可视化
更改数值参数
使用 Simulink Coder 生成代码
更改模块的参数选项  
建立或中断物理连接  

SimPowerSystems 在学术研究及教育机构中的应用

您可以使用 SimPowerSystems 讲授理论与电力网络特性的关系。学生们可以使用SimPowerSystems来分析大型的复杂系统,仿真结果可以使学生更好地理解真实的电力网络。如果要使用 SimPowerSystems 模型来演示诸如迟滞等效应对电力系统的影响,您可以使用 Simscape 语言来描述这些效应的方程。

使用仿真,学生可以在虚拟环境中建立原型。这可以鼓励学生尝试全新的设计,研究整个参数空间。仿真能够帮助学生在各种研究项目和学生竞赛中优化他们的设计。

由于 SimPowerSystems 广泛应用于各行各业,如汽车、航空和机器人领域,因此具有这种仿真工具使用经验的毕业生更易受到雇主的青睐。

了解更多有关让学生参与建模和仿真的信息。

SimPowerSystems 技术

SimPowerSystems 包括第二代和第三代技术。您可以选择使用第二代或第三代技术创建电力模型并进行仿真。

第三代技术充分利用了 Simscape 技术,组件模型都使用 Simscape 语言编写。您可以直接将这些模型与 Simscape 基础库的组件以及其他物理建模产品的组件连接起来。

第二代技术专门针对电力系统建模,且已经过优化。第二代模块库包含的大量模型使用专门定义的电学域。您也可以使用 Simulink 信号流的方式将这些模块与其他 Simscape 模块间接连接。

有关这两项技术的差异的更多信息,请参阅 SimPowerSystems 文档和发行说明。

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