电力电子装置的硬件在环实时仿真

柳伟成1杨宗民2龙沛3朱灿烈4

摘要：电力电子器件的电压尖峰、电流尖峰等性能是影响电力电子装置可靠性的重要因素，目前的电力电子装置硬件在环实时仿真研究将电力电子器件视为理想开关，不能预测分析电力电子器件的瞬时工作特性。文中以应用广泛的电压型三相桥式逆变器为例，进行电力电子装置的硬件在环实时仿真研究。在电力电子器件模型的基础上，根据面积等效原理建立了电力电子装置的数学模型，使模型简化为线性定常系统，并在数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）中实现了电力电子装置的硬件在环实时仿真。仿真结果能够反映装置运行过程中电力电子器件的电压尖峰和电流尖峰等动态特性。电力电子器件开关电压、电流的仿真结果的平均误差均在10%以内，能够满足工程应用的要求。

关键词：电力电子装置；硬件在环；实时仿真；电力电子器件；动态特性

0引言

电力电子装置广泛应用于能源、交通、通讯、国防、工业制造、航空航天、环境保护、家电等领域，已经成为国民经济发展、国家安全和人民日常生活中不可缺少的关键性装置。电力电子装置的研究开发中大量使用仿真技术。当前，电力电子装置的实时仿真研究已经展开，但这些实时仿真将电力电子器件视为理想开关，不能预测器件在装置中的工作特性。而电力电子器件的性能是影响电力电子装置可靠性的重要因素。本文以应用广泛的电压型三相桥式逆变器为例，进行电力电子装置的硬件在环实时仿真研究。

目前，国内外学者采用不同方法对电力电子装置开展了硬件在环仿真研究。文献[1]分别在RTDS中实现了DC/DC变换器的硬件在环实时仿真；文献[2]在RT-LAB中实现了三相全控整流器的硬件在环实时仿真；文献[3]在dSPACE中实现了三相桥式逆变器的硬件在环实时仿真；文献[4]在现场可编程门阵列（fieldprogrammablegatearray，FPGA）中实现了三相不可控整流器、升压变换器和三相三电平中点箝位逆变器的硬件在环实时仿真。但是，这些硬件在环仿真将电力电子器件视为理想开关，这种简化不影响装置级的仿真精度，但不能预测分析电力电子器件的瞬时工作特性。而电力电子器件的电压尖峰、电流尖峰等问题非常突出，这些问题恰恰是威胁电力电子装置可靠性的重要因素。

1电力电子装置的模型

电力电子装置装置的拓扑结构是随着开关动作不断变化的，每次开关动作都可能使装置模型发生变化，从而必须重新计算离散化系数矩阵，这给研究带来了很大困难，如何建立实时仿真的电力电子装置的数学模型，减轻计算负担，是实时仿真实现的关键问题。本文以电压型三相桥式逆变器为研究对象，建立电力电子装置的模型。

逆变器负载通常为感性，如电动机，在器件换流瞬间负载电流基本保持不变，把负载的每相视为电流源，等效电路如图1所示。

图1逆变器换流瞬间等效电路

1.1桥臂模型

根据三相桥式逆变器的对称性，逆变器由三个相同的桥臂构成，因此，要建立逆变器的模型，首先要建立桥臂的模型。以桥臂A为例进行说明，桥臂A在器件换流瞬间的等效电路如图2所示。

图2桥臂换流瞬间等效电路

换流瞬间桥臂的等效电路由一个基本开关单元（全控型器件V1和电力二极管D2）和它的对称结构（全控型器件V2和电力二极管D1）构成。基本开关单元及其对称结构如图3所示。

（a）基本开关单元（b）对称结构

图3基本开关单元及其对称结构

基本开关单元的对称结构正好对应桥臂电流为负的情况。电压型三相桥式逆变器的基本工作方式是180度导电方式，换流方式为纵向换流，也就是在基本开关单元中换流或者是其对称结构中换流，而换流路径仅与桥臂电流的正负有关。当一个开关单元工作时，另一个开关单元中器件的电流为0。

文献[5]基于基本开关单元建立了电力电子器件的实时仿真模型见式（1）。

（1）

式中：S为数字逻辑量，有效用1表示，无效用0表示；为S取反；为电路的杂散电感；fi(on)(t)、fi(off)(t)、fu(on)(t)、fu(off)(t)、gi(on)(t)和gi(off)(t)分别为分段函数。

由于对称性，基本开关单元对称结构的模型与基本开关单元的模型相同。因此只需根据电流的正负判断桥臂换流的路径，调用基本开关单元的模型，便可以得到桥臂的模型，进而可以得到桥臂的输出电压uAO和输入电流idA，见式（2）。

（2）

式中：为数字量，时为1，否则为0；为取反；为电力二极管的反向电压；uV2为全控型器件V2的电压；iV1为全控型V1的电流；iD1为二极管D1的正向电流。

1.2逆变器模型

逆变器采用脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）技术，PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理。电压型逆变器，其输出为电压窄脉冲。相对于电压窄脉冲，感性负载为一惯性环节，根据面积等效原理，在一个开关周期内，对逆变器三相电压脉冲进行时间平均，即选取逆变器模型的步长与开关周期相等，使逆变器的模型简化为线性定常系统，同时也不会引入低频的谐波干扰，具有简单、方便、准确的优点，使模型更加便于实时仿真计算。对桥臂A的输出电压和输入电流进行平均，见式（3）。

（3）

式中：M2为逆变器模型与电力电子器件器件模型的仿真步长之比。

逆变器由三个相同的桥臂构成，逆变器输出的三相电压见式（4）。

（4）

式中：、◆┫TZ分别为桥臂B和桥臂C的输出电压在一个逆变器模型步长内的平均。

2实时仿真实现

在电力电子装置模型的基础上，设计仿真系统，实现电力电子装置的实时仿真。电力电子装置实时仿真系统原理框图如图4所示。

图4电力电子装置实时仿真系统原理框图

电力电子装置实时仿真系统包括控制器、器件级仿真仿真子系统（3个）和装置级仿真子系统三部分。控制器接收逆变器给定信号和反馈信号，根据逆变器控制策略产生PWM控制信号；器件级仿真子系统根据PWM控制信号和逆变器电流进行精确到器件开关暂态过程的桥臂仿真，输出桥臂的平均电压；装置级仿真子系统根据桥臂输出电压进行系统电磁暂态过程的仿真，输出逆变器的电流，并反馈给控制器，构成闭环系统。

电机驱动实时仿真系统的硬件结构如图5所示。

电力电子装置实时仿真系统采用DSP和FPGA构建。基于FPGA构建器件级仿真子系统，实现逆变器桥臂的器件级实时仿真；基于DSP和FPGA构建装置级仿真子系统，实现逆变器装置级的实时仿真。各子系统通过母板上的数据地址总线连接成为一个整体。

3仿真结果

在电力电子装置实时仿真系统中进行仿真试验对比仿真结果和实测结果，验证仿真的准确性。以逆变器电压U=200V，频率f=130Hz的工况进行说明，逆变器电流和IGBT电流仿真结果如图6所示。

图5电力电子装置实时仿真系统硬件结构图

（a）（b）

图6逆变器电流和IGBT电流仿真结果

由图可以看出，IGBTV1、V2的电流随逆变器A相电流的变化而变化，V1、V2电流的包络线即为A相电流。子图（b）为子图（a）的放大图，能够更加清晰的看到，逆变器A相电流越大，V1开通时的电流尖峰也越大。

4结语

电压型三相桥式逆变器的实时仿真方法可以推广至其他电力电子装置，如整流器、变流器和变频器等。文中电力电子装置的实时仿真方法对控制器进行硬件在环仿真，能够反映装置运行过程中电力电子器件的电压尖峰、电流尖峰等动态特性，为电力电子装置的的器件选型、参数设计等提供准确的数据支撑，也为控制器和保护系统设计提供了一种有效的测试手段。

参考文献

[1]MoRan,MaoChengxiong,LuJiming,etal.Three-stagesolidstatetransformermodelingthroughrealtimedigitalsimulationwithcontrollerhardware-in-the-loop[C]//ConferenceProceedings-2012IEEE7thInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference-ECCEAsia,IPEMC2012,IEEEComputerSociety,Washington,DC,UnitedStates,2012:1116-1119.

[2]ZhuangXiaojie,HibinoS,HarakawaM,etal.Hardware-In-the-Loopsimulationofamachinemodelwithreal-timeanimation[C]//2014InternationalPowerElectronicsConference(IPEC-Hiroshima2014-ECCEASIA),NagoyaWorks,Japan,2014:2638-2643.

[3]郭希铮，游小杰，徐从谦，等.大功率电力牵引控制系统硬件在回路实时仿真[J].电工技术学报．2012，27(4)：65-70．

[4]AbouridaS,CenseS,DufourC,etal.Hardware-in-the-loopsimulationofelectricsystemsandpowerelectronicsonFPGAusingphysicalmodeling[C]//InternationalConferenceonPowerEngineering,EnergyandElectricalDrives,IEEEComputerSociety,Washington,DC,UnitedStates,2013:775-780.

[5]马晓军，杨宗民，刘春光，等.电力电子器件的实时仿真[J].电力系统自动化，2013，37(18)：108-112.