電力電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、國(guó)防等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的深入，電力電子技術(shù)在我國(guó)各行各業(yè)的應(yīng)用將會(huì)更加的普及和廣泛。由于電力電子系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和分析的難度較大，通常需要較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，并要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)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(jì)中，計(jì)算機(jī)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(shí)物仿真是指在仿真系統(tǒng)中接入部分實(shí)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(shí)物仿真技術(shù)利用實(shí)物控制器控制虛擬的被控對(duì)象，主要用于控制器設(shè)計(jì)與測(cè)試。將該技術(shù)應(yīng)用在電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程不但有利于設(shè)計(jì)綜合性能較優(yōu)的控制器，而且可以有效地減少費(fèi)時(shí)費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)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(shí)物實(shí)時(shí)仿真的關(guān)鍵技術(shù)，給電力電子系統(tǒng)硬件在回路半實(shí)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(xì)模型、理想開關(guān)模型和平均模型[1-2]。

1.1詳細(xì)模型

詳細(xì)模型主要針對(duì)電力電子器件建立包括其物理模型在內(nèi)的精確且詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了器件內(nèi)部詳細(xì)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(jì)算，甚至電磁兼容性評(píng)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(xiàng)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(zhǎng)非常小，仿真效率很低。對(duì)于復(fù)雜的電力電子電路進(jìn)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(jì)算機(jī)資源，同時(shí)也增大了系統(tǒng)病態(tài)的概率，從而進(jìn)一步影響到計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性。在目前計(jì)算機(jī)技術(shù)條件下，詳細(xì)模型無法用于實(shí)時(shí)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(dòng)作的變化細(xì)節(jié)，只關(guān)注整個(gè)電力電子系統(tǒng)的主要特性，忽略開關(guān)瞬間的動(dòng)態(tài)過程，即將開關(guān)器件簡(jiǎn)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(shí)時(shí)仿真中得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際中應(yīng)用理想開關(guān)模型對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行建模通常有3種方法：變換電路拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)建模，并在電力電子器件導(dǎo)通時(shí)認(rèn)為其短路，即阻抗為零;關(guān)斷時(shí)認(rèn)為其開路，阻抗為無窮大。文獻(xiàn)[3]針對(duì)四象限變流器采用該方法進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立了不同的狀態(tài)方程，實(shí)現(xiàn)了半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真。利用變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)法對(duì)電力電子系統(tǒng)建模時(shí)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)電路中器件數(shù)量較多時(shí)，分析難度很大。每個(gè)器件有兩個(gè)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)有N個(gè)器件時(shí)，對(duì)應(yīng)的拓?fù)鋽?shù)為2N，所以當(dāng)電路中開關(guān)器件數(shù)量增加時(shí)，電路的拓?fù)鋽?shù)呈指數(shù)上升，此時(shí)要分析出所有電路拓?fù)浣Y(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(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真時(shí)需注意兩個(gè)問題：

(1)電路拓?fù)鋸囊环N結(jié)構(gòu)變換到另一種結(jié)構(gòu)的時(shí)刻并不一定完全由外加的控制信號(hào)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(shí)，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，此動(dòng)作時(shí)刻取決于系統(tǒng)本身的狀態(tài)和參數(shù)。

(2)2N個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中是不可能或不允許出現(xiàn)的，在進(jìn)行建模時(shí)可以不考慮這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，提高仿真實(shí)時(shí)性。

1.2.2雙極性電阻法

該方法用一個(gè)非線性電阻作為電力電子器件模型，將器件的兩個(gè)狀態(tài)用兩個(gè)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(shí)，對(duì)該電阻取一個(gè)非常小電阻值，即導(dǎo)通電阻Ron;關(guān)斷時(shí)取一個(gè)非常大的電阻值，即關(guān)斷電阻Roff。該方法的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)含開關(guān)器件的非線性系統(tǒng)在時(shí)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(diǎn)顯而易見，原理簡(jiǎn)單，與前述方法相比，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(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(gè)數(shù)量級(jí)，使得系統(tǒng)中最大時(shí)間常數(shù)和最小時(shí)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(jì)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?fù)浣Y(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(hào)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(gè)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(gè)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?fù)浣Y(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(shí)時(shí)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(duì)于非矩陣型變流器，其開關(guān)器件和無源器件組成一個(gè)整體，如DC/DC變流器等，該方法不適用。另外，對(duì)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(jí)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?fù)浣Y(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(gè)開關(guān)器件的電壓、電流等波形，無法評(píng)估開關(guān)諧波的影響。