電力電子技術可以實現電能的變換和控制，已廣泛應用于工業、交通、國防等國民經濟的各個領域，隨著國家節能減排政策的深入，電力電子技術在我國各行各業的應用將會更加的普及和廣泛。由于電力電子系統是一個復雜的非線性系統，設計和分析的難度較大，通常需要較長的設計開發過程，并要進行大量的實驗研究。

隨著仿真技術的飛速發展，在電力電子系統的分析和設計中，計算機仿真技術由于其良好的可重復性和安全性得到了廣泛的應用。半實物仿真是指在仿真系統中接入部分實物，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利用實物控制器控制虛擬的被控對象，主要用于控制器設計與測試。將該技術應用在電力電子系統設計過程不但有利于設計綜合性能較優的控制器，而且可以有效地減少費時費力的實驗研究，節約開發成本，縮短開發周期。建模是仿真技術的核心所在，本文從電力電子系統建模技術入手，探討了硬件在回路半實物實時仿真的關鍵技術，給電力電子系統硬件在回路半實物仿真系統的構建提供參考。

1電力電子系統建模技術

根據不同層次的仿真需要，電力電子系統仿真模型大體上可以分為3類：詳細模型、理想開關模型和平均模型[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的精確且詳細的數學模型，該模型考慮了器件內部詳細的物理特性，包括線路雜散電感和電容等微參數，可以用于開關特性分析、功率損耗和吸收回路參數計算，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項的受控源來描述，并且在仿真過程中涉及到大量的開關過渡過程，要求仿真步長非常小，仿真效率很低。對于復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，同時也增大了系統病態的概率，從而進一步影響到計算的收斂性和穩定性。在目前計算機技術條件下，詳細模型無法用于實時仿真。

1.2理想開關模型

理想開關模型不關注開關器件動作的變化細節，只關注整個電力電子系統的主要特性，忽略開關瞬間的動態過程，即將開關器件簡化為理想開關，是一種功能性的行為模型，在電力電子系統實時仿真中得到了廣泛應用。在實際中應用理想開關模型對電力電子系統進行建模通常有3種方法：變換電路拓撲結構法、雙極性電阻法和開關函數方法。

1.2.1變換電路拓撲結構法

該方法根據開關的導通與關斷使電路形成不同的拓撲結構來實現建模，并在電力電子器件導通時認為其短路，即阻抗為零;關斷時認為其開路，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，根據器件的導通狀態具有整流、逆變、交流側短路等不同的電路拓撲結構，根據各拓撲結構建立了不同的狀態方程，實現了半實物實時仿真。利用變換電路拓撲結構法對電力電子系統建模時，物理概念清晰，應用方便;但需要分析出所有可能的電路拓撲結構，特別是當電路中器件數量較多時，分析難度很大。每個器件有兩個狀態，當系統有N個器件時，對應的拓撲數為2N，所以當電路中開關器件數量增加時，電路的拓撲數呈指數上升，此時要分析出所有電路拓撲結構將是非常困難的，所以該方法不適用于多開關器件的電力電子系統建模。另外，在使用該方法對電力電子系統進行建模與仿真時需注意兩個問題：

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

(2)2N個拓撲結構中，有一些拓撲結構在實際應用中是不可能或不允許出現的，在進行建模時可以不考慮這些拓撲結構，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。在電力電子器件導通時，對該電阻取一個非常小電阻值，即導通電阻Ron;關斷時取一個非常大的電阻值，即關斷電阻Roff。該方法的實質是將一個含開關器件的非線性系統在時域中經過線性變換為一系列分段變系數的線性系統。其優點顯而易見，原理簡單，與前述方法相比，系統的拓撲結構不隨開關狀態變化，即狀態方程不發生變化，僅僅是狀態方程的系數發生相應變化。但是由于該模型中導通電阻Ron和關斷電阻Roff的阻值往往相差幾個數量級，使得系統中最大時間常數和最小時間常數差別巨大，從而影響狀態方程的求解精度和求解速度，甚至由于方程的病態，引起數值計算的不穩定。

1.2.3開關函數方法

該方法不考慮具體的電路拓撲結構，以研究電力電子系統外部變換特性為目的，采用線性代數方程描述電力電子系統的輸入輸出關系。以圖3(a)所示的三相電壓型逆變器為例，用開關函數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相的開關函數，通常根據開關器件的控制信號用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。開關函數方法僅利用線性代數方程描述電力電子系統的外部特性，既與電路拓撲結構無關，也不存在病態方程，仿真速度優于上述兩種理想開關模型的方法，而且無數值收斂問題，非常適用于實時仿真。但是，該方法的應用范圍有限，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，對于結構復雜、電平數比較多的多電平變流器，由于其開關函數比較難得到，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整體的外部平均特性為主要目的，不考慮開關電壓、開關電流的具體波形，只考慮系統的主要特性，忽略高頻分量，是系統級的模型。平均模型又分為狀態平均模型和開關平均模型等方法，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用。平均模型在仿真中不存在開關和拓撲結構的變化，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器件的電壓、電流等波形，無法評估開關諧波的影響。