电力电子硬件在仿真技术中运用

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1、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，

2、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］

3、。1.1详细模型详细模型主耍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、功率损耗和吸收冋路参数计算,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屮包含了大量的元器件模型，不仅占用大量的计算机资源，同时也增人了系统病态的概率，从而进

4、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

5、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］针对四象限变流器釆用该方法进行建模，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；但需耍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

6、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。

7、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Roffo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Rof

8、f的阻值往往相差几个数量级，使得系统屮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，甚至山于方程的病态，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英等效为图3(b)、图3(c)0图屮，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