电力电子硬件在仿真技术中运用

电力电子技术可以实现电能的变换和控制，已广泛应用于工业、交通、国防等国民经济的各个领域，随着国家节能减排政策的深入，电力电子技术在我国各行 各业的应用将会更加的普及和广泛。由于电力电子系统是一个复杂的非线性系统，设计和分析的难度较大，通常需要较长的设计开发过程，并要进行大量的实验研 究。随着仿真技术的飞速发展，在电力电子系统的分析和设计中，计算机仿真技术由于其良好的可重复性和安全性得到了广泛的应用。半实物仿真是指在仿真系统中 接入部分实物，是所有仿真中置信度最高的一种仿真方法，硬件在回路半实物仿真技术利用实物控制器控制虚拟的被控对象，主要用于控制器设计与测试。将该技术 应用在电力电子系统设计过程不但有利于设计综合性能较优的控制器，而且可以有效地减少费时费力的实验研究，节约开发成本，缩短开发周期。建模是仿真技术的 核心所在，本文从电力电子系统建模技术入手，探讨了硬件在回路半实物实时仿真的关键技术，给电力电子系统硬件在回路半实物仿真系统的构建提供参考。

1电力电子系统建模技术根据不同层次的仿真需要，电力电子系统仿真模型大体上可以分为3类：详细模型、理想开关模型和平均模型[1-2]。

1.1详细模型

详细模型主要针对电力电子器件建立包括其物理模型在内的精确且详细的数学模型，该模型考虑了器件内部详细的物理特性，包括线路杂散电感和电容等微参 数，可以用于开关特性分析、功率损耗和吸收回路参数计算，甚至电磁兼容性评估。但是，由于该模型通常采用非线性微分方程和包含指数项的受控源来描述，并且 在仿真过程中涉及到大量的开关过渡过程，要求仿真步长非常小，仿真效率很低。对于复杂的电力电子电路进行精确建模将使得仿真电路中包含了大量的元器件模 型，不仅占用大量的计算机资源，同时也增大了系统病态的概率，从而进一步影响到计算的收敛性和稳定性。在目前计算机技术条件下，详细模型无法用于实时仿 真。

1.2理想开关模型

理想开关模型不关注开关器件动作的变化细节，只关注整个电力电子系统的主要特性，忽略开关瞬间的动态过程，即将开关器件简化为理想开关，是一种功能 性的行为模型，在电力电子系统实时仿真中得到了广泛应用。在实际中应用理想开关模型对电力电子系统进行建模通常有3种方法：变换电路拓扑结构法、双极性电 阻法和开关函数方法。

1.2.1变换电路拓扑结构法

该方法根据开关的导通与关断使电路形成不同的拓扑结构来实现建模，并在电力电子器件导通时认为其短路，即阻抗为零；关断时认为其开路，阻抗为无穷 大。文献[3]针对四象限变流器采用该方法进行建模，如图1所示，根据器件的导通状态具有整流、逆变、交流侧短路等不同的电路拓扑结构，根据各拓扑结构建 立了不同的状态方程，实现了半实物实时仿真。利用变换电路拓扑结构法对电力电子系统建模时，物理概念清晰，应用方便；但需要分析出所有可能的电路拓扑结 构，特别是当电路中器件数量较多时，分析难度很大。每个器件有两个状态，当系统有N个器件时，对应的拓扑数为2N，所以当电路中开关器件数量增加时，电路 的拓扑数呈指数上升，此时要分析出所有电路拓扑结构将是非常困难的，所以该方法不适用于多开关器件的电力电子系统建模。另外，在使用该方法对电力电子系统 进行建模与仿真时需注意两个问题：

（1）电路拓扑从一种结构变换到另一种结构的时刻并不一定完全由外加的控制信号所决定，还有可能由电路内部条件来决定，比如二极管中电流为零时，电路拓扑结构将发生变化，此动作时刻取决于系统本身的状态和参数。

（2）2N个拓扑结构中，有一些拓扑结构在实际应用中是不可能或不允许出现的，在进行建模时可以不考虑这些拓扑结构，进一步简化模型，提高仿真实时性。

1.2.2双极性电阻法

该方法用一个非线性电阻作为电力电子器件模型，将器件的两个状态用两个不同阻值的电阻表示，如图2所示。在电力电子器件导通时，对该电阻取一个非常 小电阻值，即导通电阻Ron；关断时取一个非常大的电阻值，即关断电阻Roff。该方法的实质是将一个含开关器件的非线性系统在时域中经过线性变换为一系 列分段变系数的线性系统。其优点显而易见，原理简单，与前述方法相比，系统的拓扑结构不随开关状态变化，即状态方程不发生变化，仅仅是状态方程的系数发生 相应变化。但是由于该模型中导通电阻Ron和关断电阻Roff的阻值往往相差几个数量级，使得系统中最大时间常数和最小时间常数差别巨大，从而影响状态方 程的求解精度和求解速度，甚至由于方程的病态，引起数值计算的不稳定。

1.2.3开关函数方法

该方法不考虑具体的电路拓扑结构，以研究电力电子系统外部变换特性为目的，采用线性代数方程描述电力电子系统的输入输出关系。以图3（a）所示的三 相电压型逆变器为例，用开关函数方法可以将其等效为图3（b）、图3（c）。图中，Sa、Sb、Sc分别为逆变器a、b、c相的开关函数，通常根据开关器 件的控制信号用1、0、-1表示。从逆变器的输入端来看，每相的开关器件可以等效为一个电流源，如图3（b）所示；从逆变器的输出端来看，每相则可以等效 为一个电压源，如图3（c）所示。开关函数方法仅利用线性代数方程描述电力电子系统的外部特性，既与电路拓扑结构无关，也不存在病态方程，仿真速度优于上 述两种理想开关模型的方法，而且无数值收敛问题，非常适用于实时仿真。但是，该方法的应用范围有限，该方法仅适用于所谓的矩阵型变流器，如整流器、逆变器 等，即变流器仅由理想的、无损耗的开关组成，不包含除吸收回路外的其他任何无源器件；对于非矩阵型变流器，其开关器件和无源器件组成一个整体，如 DC/DC变流器等，该方法不适用。另外，对于结构复杂、电平数比较多的多电平变流器，由于其开关函数比较难得到，该方法也不太适用。

1.3平均模型

平均模型以研究电力电子系统整体的外部平均特性为主要目的，不考虑开关电压、开关电流的具体波形，只考虑系统的主要特性，忽略高频分量，是系统级的 模型。平均模型又分为状态平均模型和开关平均模型等方法，此类方法在非矩阵变流器，如DC/DC变流器的建模中得到了广泛的应用。平均模型在仿真中不存在 开关和拓扑结构的变化，是仿真速度最快的模型，但其仿真精度有限，且不能得到单个开关器件的电压、电流等波形，无法评估开关谐波的影响。

2半实物实时仿真关键技术

2.1实时仿真平台

（1）dSPACE[4]

dSPACE实时仿真系统是德国dSPACE公司开发的控制系统开发及测试工作平台，其实现了与Matlab/Simulink的无缝连接。 dSPACE在半实物仿真中的应用非常多，尤其在汽车行业应用最为广泛。它属于专用系统，硬件板卡都由dSPACE公司自行开发，处理器板具有高速的计算 能力，同时具备丰富的I/O板，用户可以根据需要进行组合实现多种领域的半实物仿真。dSPACE实时仿真系统的优点是实时性强、可靠性高，但由于是专用 系统，硬件设备相对昂贵。