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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

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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