DSED：开启大规模电力电子系统仿真解算新篇章
随着能源互联网系统工程的不断推进，电力电子设备的功能越来越复杂，功率等级也随之提高，大功率电力电子系统在可再生能源、微电网配电、电气化交通以及超快速充电等新兴领域的应用日益广泛，对系统动态过程和半导体开关瞬态过程进行功能验证也变得越来越重要。然而，为了达到功率要求，系统通常包含成百上千个开关器件以及多级能量变换环节，由于其规模庞大且结构复杂，使用物理实验验证的成本极其高昂。在这种情况下，针对大规模电力电子系统进行虚拟数值实验分析与验证就十分必要。
但是，现有的数值实验软件还无法真正解决大规模电力电子系统仿真解算的问题。虽然它们能够很好地解算小规模电路，但是在仿真包含大量开关器件的大规模电力电子系统性能时则有些“力不从心”，会出现仿真耗时长、速度慢、仿真不收敛等问题。
一方面，仿真速度成为限制系统分析与研究的主要因素之一。例如，利用理想开关模型仿真包含约500个开关器件的系统，现有的电力电子仿真软件解算1秒的动态过程大约需要十几个小时。如果需要解算含有多个大功率变换器的微电网系统，或者在电力电子自动化设计中需要仿真大量不同的拓扑与参数，仿真速度过低的问题就更加突出。现有软件解算这类高仿真难度的系统需要几天甚至几星期，工程师们基本无法在有限时间内完成仿真研究，只能依靠经验开展设计与分析。
另一方面，复杂系统中开关瞬态过程仿真解算经常会遇到收敛性问题。电力电子系统是典型的多时间尺度系统，跨越了不同时间尺度，包含着从纳秒级的开关瞬态过程到秒级的系统动态过程。从数学角度来看，这种多时间尺度的系统同时存在多个且变化快慢不同的动态过程，呈现出强刚性、数值解算收敛性差的特点，因此需要使用很小的步长才能够准确解算每个变化过程。但是，利用极小的步长来仿真系统级别的动态过程耗时却不可接受：利用开关的实际物理模型仿真一个包含30个开关器件的中等规模电力电子变换器，几秒动态过程就需要10小时左右。虽然使用理想开关模型可以有效避免收敛性问题，但是开关的瞬态特性将被忽略，而这些瞬态特性在大多数情况下恰恰是影响大规模电力电子变换器稳定可靠运行的主要因素。由于在极短时间内发生了极大的电磁能量变化，开关瞬态过程可能会导致各种系统故障，例如过压击穿、死区设置过短导致的短路、串联器件无法均压、并联器件无法均流、电磁干扰以及开关损耗过大导致的系统效率低等一系列问题。毫不夸张地说，了解系统中的开关瞬态行为特征是提高其可靠性与效率的关键，因此，同时实现高效准确的秒级动态过程和开关瞬态纳秒级过程的仿真已迫在眉睫。
为了解决大规模电力电子系统进行虚拟数值实验仿真所面临的解算时间长和多时间尺度解算刚性强等问题，清华大学电机系大容量电力电子与新型电力传输研究团队自2015年起，在国家自然科学基金委的重大项目支持下，围绕电力电子混杂系统建模和解算开展了一系列关键技术和交叉技术的研究。研究团队提出了离散状态事件驱动仿真方法(Discrete-State Event-Driven, DSED approach)和分段解析瞬态（Piecewise Analytical Transient Model, PAT model）模型，实现了大功率电力电子系统跨越多个时间尺度的高精度与高速度仿真，并且从根本上解决了仿真收敛性问题，能够在几秒或几分钟内仿真出大规模电力电子系统的多时间尺度动态过程，准确高效地得到仿真结果。
一、离散状态事件驱动方法
离散状态事件驱动（DSED）方法在大容量、大规模变换器仿真中表现出明显优势，原因在于这种方法体现出了对电力电子系统仿真认知的根本性转变。电力电子系统是典型的混杂系统，由连续的状态变量与离散的开关事件构成。在传统的仿真机制中，系统随着时间轴的推进而进行状态变量的积分解算，被称为时间离散方法。这种基于时间离散的仿真机制可以很好地解算纯连续系统，但是对于电力电子混杂系统的解算效率不高，这是因为基于连续系统的积分过程与离散事件的定位很难有机地配合。而在DSED机制下, 系统的解算从时间轴的推进转变为状态轴的推进，形成了一套基于事件驱动的状态离散方法。从DSED与传统仿真机制的对比中可知，DSED只在事件发生时进行必要的解算，而传统仿真机制需要在其他更多的时间点进行解算。另外，基于事件驱动机制，可以避免由于开关时刻定位产生的不必要迭代计算，使得计算量大幅缩减，仿真速度显著提升。
为了解算纳秒级开关瞬态过程，需要建立既准确又实用的半导体器件模型，使之能够应用于大功率电力电子系统中开关行为的解算。传统器件建模方法利用高阶、非线性的等效电路来表征半导体器件的行为，因此开关过程中各种物理机制的影响都混杂在一起，如非线性电容、杂散电感、门极充电电路以及二极管反恢复特性等，导致模型的参数难以准确得到、解算效率低且收敛性差。事实上，在开关过程的各个阶段，其主导的物理过程是不同的。如果能够将开关瞬态过程划分为不同的阶段，并且提取其主导因素对应的简化等效电路，即可降低模型的复杂度，同时保持主要瞬态属性不变。分段解析瞬态（PAT）模型在每一阶段都使用反映其主要物理过程的等效电路，从而在减小计算量的同时降低模型的刚性，如图1所示。这种方法的优势在于，利用各阶段的简化模型能够大幅提升解算速度，而且由于电路的阶数被降低，收敛性问题得以避免，此外，所有的模型参数都可以从器件手册中获得。因此，PAT模型为大规模电力电子变换器中的开关瞬态过程仿真提供了足够准确且高效实用的解决方案。
二、DSIM：电力电子系统仿真解算的一次变革
DSED方法与PAT模型的相关技术目前已经落地并转化为通用电力电子仿真软件DSIM。2019年9月，研究团队应邀在IEEE电力电子旗舰学术年会ECCE上做了专题讲座和大会展出；2019年12月正式向全球发布了该软件首个版本DSIM 2020a；在2019年12月的IEEE 网络研讨会上，该款仿真软件被应用者们称为“电力电子系统仿真解算的一次变革”。
DSIM拥有友好的用户界面和强大的后期波形处理能力，如图2所示。它为大规模电力电子系统的数值实验提供了颠覆性的解决方案：曾经难以想象的仿真终于变为现实，曾经几小时甚至几天的等待时间，而如今仅需几分钟甚至几秒钟即可，且再也没有收敛性问题。因此，DSIM可以自由地实现多组参数的仿真与对比，成为系统优化设计的高效工具；可以快速仿真成百上千个开关器件组成的大规模变换器，为新能源接入的微电网以及大型电力牵引系统的设计与研究提供有力支持；可以准确仿真大规模系统中开关瞬态过程的波形，了解瞬态关键特征，为器件选型、器件保护、损耗分析等重要应用提供支撑。
在实际应用中，研究人员利用DSIM设计了一台2兆瓦、实现多电压等级交直流混联的4端口电力电子变压器，如图3所示。这台大功率装置由576个开关器件组成，内部含有87个几十千瓦级高频变压器。对于如此庞大的系统，DSIM可以将其他软件几小时的仿真耗时压缩到几秒钟，从而能够非常快地实现丰富的功能设计与验证。研究人员进行了多种器件和拓扑结构的比较，验证了不同PI参数的控制效果，实现了典型短路故障的仿真以及控制模式的切换研究，计算了不同工况下的损耗分布和系统效率曲线，甚至实现了两台这样的大功率多功能电力电子变压器对拖集群运行的仿真实验。与当前国际领先仿真软件的仿真结果和实验结果对比，DSIM高频波形（HFT电流，20千赫）与网侧的低频波形都能与其他两者的结果相吻合。仿真0.2秒的系统动态过程，DSIM只需要18秒就可以得到仿真结果。在相同的电脑配置、相对误差（0.01%）与最大步长（1e-3秒）设置下，DSIM解算速度达到了现有仿真解算系统的1000倍。
三、实测数据：DSIM展现出巨大优势
DSIM利用PAT模型对开关器件进行建模，快速准确地解算大系统中的开关瞬态特征，并可以对开关损耗进行预测。研究人员利用DSIM辅助设计一台50千伏安固态变压器，包含24个开关器件——16个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和8个碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）——以及一个高频变压器（HFT）。该装置可以作为电能路由器辅助可再生能源的接入并实现局部的电能管理。
用PAT模型对16个IGBT和8个SiC MOSFET进行建模，利用DSIM进行解算，可以仿真出系统动态过程中开关瞬态过程的细节。图4（a）和（b）分别展示了IGBT开通过程和SiC MOSFET关断过程的实验波形与DSIM仿真波形和商业软件A仿真波形之间的对比，可以看出实验波形和DSIM仿真波形非常吻合。DSIM不仅可以准确仿真关键的开关瞬态波形（开关延迟、上升和下降时间以及电压和电流尖峰），而且还可以预测开关损耗，误差控制在10%以内。
为了测试DSIM（使用PAT模型）的仿真效率，使用DSIM与另外两个现有的通用离线仿真软件，仿真相同的动态过程。使用商用软件A的物理模型，仿真耗时超过9小时。而使用DSIM，仿真可以在1分钟内完成。在该测试中，DSIM仿真比商业软件A快717.3倍，甚至比使用理想开关模型的商业软件B快5.3倍。
DSIM充分利用DSED方法与PAT模型的优势，在仿真复杂大功率电力电子系统时表现出了极高的性能与出色的收敛性。凭借这种仿真能力，DSIM在大功率电力电子变压器系统和50千伏安固态变压器系统的设计分析验证中发挥了重要的作用，对现场实验和运行具有很好的指导意义；特别是在与开关瞬态过程相关的研究中，例如死区时间与最小脉宽的优化、杂散参数优化与电应力的降低，以及并联或串联的多个开关的同步动作等，DSIM软件具有不可替代的作用。
随着能源、电力及交通等领域的科技进步日新月异，大功率电力电子设备的重要性日益凸显，对其进行虚拟数值实验的需求也越来越迫切。DSED方法和DSIM软件突破电力电子系统仿真的传统技术路线，创造性地发展了“状态离散”和“事件驱动”方法，在保证精度的前提下将虚拟数值实验的效率提升了几个数量级。未来，DSIM有望成为大规模电力电子系统虚拟数值实验的适用工具，在大规模变换器集群运行仿真、变换器设计优化、故障和异常工况分析、电磁干扰仿真等诸多应用场景发挥重要作用。作为国产电力电子仿真软件，DSIM的仿真效率全面超越现有电力电子仿真软件，开启了大规模电力电子系统仿真的新篇章。
