電力電子技術(shù)可以實現(xiàn)電能的變換和控制，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、國防等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，隨著國家節(jié)能減排政策的深入，電力電子技術(shù)在我國各行各業(yè)的應(yīng)用將會更加的普及和廣泛。由于電力電子系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，設(shè)計和分析的難度較大，通常需要較長的設(shè)計開發(fā)過程，并要進行大量的實驗研究。

隨著仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，在電力電子系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，計算機仿真技術(shù)由于其良好的可重復(fù)性和安全性得到了廣泛的應(yīng)用。半實物仿真是指在仿真系統(tǒng)中接入部分實物，是所有仿真中置信度最高的一種仿真方法，硬件在回路半實物仿真技術(shù)利用實物控制器控制虛擬的被控對象，主要用于控制器設(shè)計與測試。將該技術(shù)應(yīng)用在電力電子系統(tǒng)設(shè)計過程不但有利于設(shè)計綜合性能較優(yōu)的控制器，而且可以有效地減少費時費力的實驗研究，節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。建模是仿真技術(shù)的核心所在，本文從電力電子系統(tǒng)建模技術(shù)入手，探討了硬件在回路半實物實時仿真的關(guān)鍵技術(shù)，給電力電子系統(tǒng)硬件在回路半實物仿真系統(tǒng)的構(gòu)建提供參考。

1電力電子系統(tǒng)建模技術(shù)

根據(jù)不同層次的仿真需要，電力電子系統(tǒng)仿真模型大體上可以分為3類：詳細模型、理想開關(guān)模型和平均模型[1-2]。

1.1詳細模型

詳細模型主要針對電力電子器件建立包括其物理模型在內(nèi)的精確且詳細的數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了器件內(nèi)部詳細的物理特性，包括線路雜散電感和電容等微參數(shù)，可以用于開關(guān)特性分析、功率損耗和吸收回路參數(shù)計算，甚至電磁兼容性評估。但是，由于該模型通常采用非線性微分方程和包含指數(shù)項的受控源來描述，并且在仿真過程中涉及到大量的開關(guān)過渡過程，要求仿真步長非常小，仿真效率很低。對于復(fù)雜的電力電子電路進行精確建模將使得仿真電路中包含了大量的元器件模型，不僅占用大量的計算機資源，同時也增大了系統(tǒng)病態(tài)的概率，從而進一步影響到計算的收斂性和穩(wěn)定性。在目前計算機技術(shù)條件下，詳細模型無法用于實時仿真。

1.2理想開關(guān)模型

理想開關(guān)模型不關(guān)注開關(guān)器件動作的變化細節(jié)，只關(guān)注整個電力電子系統(tǒng)的主要特性，忽略開關(guān)瞬間的動態(tài)過程，即將開關(guān)器件簡化為理想開關(guān)，是一種功能性的行為模型，在電力電子系統(tǒng)實時仿真中得到了廣泛應(yīng)用。在實際中應(yīng)用理想開關(guān)模型對電力電子系統(tǒng)進行建模通常有3種方法：變換電路拓撲結(jié)構(gòu)法、雙極性電阻法和開關(guān)函數(shù)方法。

1.2.1變換電路拓撲結(jié)構(gòu)法

該方法根據(jù)開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷使電路形成不同的拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)建模，并在電力電子器件導(dǎo)通時認為其短路，即阻抗為零;關(guān)斷時認為其開路，阻抗為無窮大。文獻[3]針對四象限變流器采用該方法進行建模，如圖1所示，根據(jù)器件的導(dǎo)通狀態(tài)具有整流、逆變、交流側(cè)短路等不同的電路拓撲結(jié)構(gòu)，根據(jù)各拓撲結(jié)構(gòu)建立了不同的狀態(tài)方程，實現(xiàn)了半實物實時仿真。利用變換電路拓撲結(jié)構(gòu)法對電力電子系統(tǒng)建模時，物理概念清晰，應(yīng)用方便;但需要分析出所有可能的電路拓撲結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)電路中器件數(shù)量較多時，分析難度很大。每個器件有兩個狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)有N個器件時，對應(yīng)的拓撲數(shù)為2N，所以當(dāng)電路中開關(guān)器件數(shù)量增加時，電路的拓撲數(shù)呈指數(shù)上升，此時要分析出所有電路拓撲結(jié)構(gòu)將是非常困難的，所以該方法不適用于多開關(guān)器件的電力電子系統(tǒng)建模。另外，在使用該方法對電力電子系統(tǒng)進行建模與仿真時需注意兩個問題：

(1)電路拓撲從一種結(jié)構(gòu)變換到另一種結(jié)構(gòu)的時刻并不一定完全由外加的控制信號所決定，還有可能由電路內(nèi)部條件來決定，比如二極管中電流為零時，電路拓撲結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，此動作時刻取決于系統(tǒng)本身的狀態(tài)和參數(shù)。

(2)2N個拓撲結(jié)構(gòu)中，有一些拓撲結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中是不可能或不允許出現(xiàn)的，在進行建模時可以不考慮這些拓撲結(jié)構(gòu)，進一步簡化模型，提高仿真實時性。

1.2.2雙極性電阻法

該方法用一個非線性電阻作為電力電子器件模型，將器件的兩個狀態(tài)用兩個不同阻值的電阻表示，如圖2所示。在電力電子器件導(dǎo)通時，對該電阻取一個非常小電阻值，即導(dǎo)通電阻Ron;關(guān)斷時取一個非常大的電阻值，即關(guān)斷電阻Roff。該方法的實質(zhì)是將一個含開關(guān)器件的非線性系統(tǒng)在時域中經(jīng)過線性變換為一系列分段變系數(shù)的線性系統(tǒng)。其優(yōu)點顯而易見，原理簡單，與前述方法相比，系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)不隨開關(guān)狀態(tài)變化，即狀態(tài)方程不發(fā)生變化，僅僅是狀態(tài)方程的系數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化。但是由于該模型中導(dǎo)通電阻Ron和關(guān)斷電阻Roff的阻值往往相差幾個數(shù)量級，使得系統(tǒng)中最大時間常數(shù)和最小時間常數(shù)差別巨大，從而影響狀態(tài)方程的求解精度和求解速度，甚至由于方程的病態(tài)，引起數(shù)值計算的不穩(wěn)定。

1.2.3開關(guān)函數(shù)方法

該方法不考慮具體的電路拓撲結(jié)構(gòu)，以研究電力電子系統(tǒng)外部變換特性為目的，采用線性代數(shù)方程描述電力電子系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。以圖3(a)所示的三相電壓型逆變器為例，用開關(guān)函數(shù)方法可以將其等效為圖3(b)、圖3(c)。圖中，Sa、Sb、Sc分別為逆變器a、b、c相的開關(guān)函數(shù)，通常根據(jù)開關(guān)器件的控制信號用1、0、-1表示。從逆變器的輸入端來看，每相的開關(guān)器件可以等效為一個電流源，如圖3(b)所示;從逆變器的輸出端來看，每相則可以等效為一個電壓源，如圖3(c)所示。開關(guān)函數(shù)方法僅利用線性代數(shù)方程描述電力電子系統(tǒng)的外部特性，既與電路拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)，也不存在病態(tài)方程，仿真速度優(yōu)于上述兩種理想開關(guān)模型的方法，而且無數(shù)值收斂問題，非常適用于實時仿真。但是，該方法的應(yīng)用范圍有限，該方法僅適用于所謂的矩陣型變流器，如整流器、逆變器等，即變流器僅由理想的、無損耗的開關(guān)組成，不包含除吸收回路外的其他任何無源器件;對于非矩陣型變流器，其開關(guān)器件和無源器件組成一個整體，如DC/DC變流器等，該方法不適用。另外，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電平數(shù)比較多的多電平變流器，由于其開關(guān)函數(shù)比較難得到，該方法也不太適用。

1.3平均模型

平均模型以研究電力電子系統(tǒng)整體的外部平均特性為主要目的，不考慮開關(guān)電壓、開關(guān)電流的具體波形，只考慮系統(tǒng)的主要特性，忽略高頻分量，是系統(tǒng)級的模型。平均模型又分為狀態(tài)平均模型和開關(guān)平均模型等方法，此類方法在非矩陣變流器，如DC/DC變流器的建模中得到了廣泛的應(yīng)用。平均模型在仿真中不存在開關(guān)和拓撲結(jié)構(gòu)的變化，是仿真速度最快的模型，但其仿真精度有限，且不能得到單個開關(guān)器件的電壓、電流等波形，無法評估開關(guān)諧波的影響。