HIL产品核心指标

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本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了三种电力电子系统建模方法：开关函数建模、平均值模型和基于L/C开关的细节模型。开关函数建模适用于离线仿真和小步长实时仿真，但不支持任意拓扑和工况；平均值模型用于CPU上的大系统仿真，但损失仿真细节；基于L/C开关的细节模型支持任意拓扑和工况，是主流建模方式。硬件在环仿真平台的关键指标包括仿真规模和易用性，如模型兼容性和使用方式。远宽能源的StarSim HIL实时仿真产品利用FPGA进行小步长仿真，无需编程，具有领先的技术指标和优势，已广泛应用于多个领域。

不同的仿真工具在不同的领域、工作的不同阶段有着不一样的用途，什么时候需要仿真工具？仿真产品最重要的指标是什么？目前市场的产品情况如何？接下来由远宽能源资深技术负责人带你分析HIL产品的适用性与核心指标。

硬件在环（HIL）产品的适用性

在电力与电力电子系统的研究中，随着电路结构复杂程度的提高与开关数量的增加，在功率大、系统复杂和测试要求较高的控制器研发和测试环节中，使用硬件在环（HIL）的方式进行研发与测试，比传统实物系统测试速度更快、效率更高、实验更安全，能够极大地节省用户在控制器开发与测试中需要花费的时间与资源。

如上图所示，硬件在环测试是利用仿真器将系统电路运行特性、传感器信号输出等进行准确、实时地模拟，并可以与待测控制器所有的IO信号对接起来。硬件在环平台可以在实物硬件测试平台集成好之前，就给待测控制器一个信号级的系统模拟和实时响应的测试环境。

HIL产品的5个核心指标

目前市面上的相关HIL产品以欧美的品牌为主，远宽能源则是在小步长仿真方面目前唯一能对标进口产品的自主品牌公司。虽然全球范围内仿真产品的品牌并不多，但是用户该如何选择合适的HIL产品，需要关注HIL产品的哪些关键指标呢？下面小编从功能性和易用性两个方面，为大家介绍一下评估HIL产品需要关注的5个核心指标。

功能性指标1：仿真步长

硬件在环（HIL）仿真平台最核心的指标就是仿真步长，对于电力与电力电子系统的半实物仿真（HIL）来说，实时仿真的时间尺度（仿真步长）是一个很重要的概念，电力与电力电子系统的实时仿真按仿真步长主要可以分为如下的两类：

大步长仿真：基于多核CPU，仿真步长（25-100us），适用于交流电网系统；
小步长仿真：基于FPGA，仿真步长小（0.25-1.25μs），适用于电力电子系统；

如果用户关注系统运行的整体特性，比如要对于运行系统的工频交流部分进行研究、对微电网系统的EMS控制策略进行验证、研究电路运行的能量调度等场景，这类应用关注上层调度运行的算法以及系统整体的特性，电路模型进行实时仿真时对仿真步长的要求不高，此时选择基于CPU的大步长仿真比较合适；
如果用户关注逆变器级别的运行特性，比如要对逆变器的控制算法进行验证、关注单个开关的动作特性、关注高频谐波分量等细节波形等场景，为了比较好的模拟电力电子开关运行的情况，仿真器运行的频率至少需要是PWM控制信号频率的50-100倍，这意味着仿真步长至少要在1μs以下，此时只有基于FPGA的小步长仿真技术才能满足使用的要求。

注：该数据一般是在最小电路规模下的步长指标，在评估时还是要基于使用时会载入的电路规模进行仿真步长的测试。

功能性指标2：支持模型搭建的方式

在评估HIL产品时，支持电路模型搭建的方式也是一个比较重要的性能指标，这决定了用户是否能够自由地搭建想要模拟的电路拓扑。一些HIL产品支持用户搭建任意的系统拓扑，也支持用户基于单个元器件进行电路建模，灵活性强，适用于对于拓扑变化要求高、进行新拓扑研究或者是关注单个开关动作状态的用户；一些HIL产品会为用户提供模型库，支持库中有限的模型拓扑，无法支持用户自由搭建模型，灵活性受到限制，适用于研究对象相对固定的用户。

为什么不同的产品能够支持的模型不一样呢？这就和建模的方式有关系，以用户比较熟悉的两电平桥为例，有基于开关函数建模、平均值模型和基于L/C开关的细节模型三种。

● 开关函数建模

开关函数建模法根据电力电子拓扑结构，列出其基本方程，引入开关函数，实现电力电子装置建模。开关函数模型适用于快速的离线仿真和小步长实时仿真。不过开关函数建模需要预先知道电路拓扑，不支持任意拓扑的建模，而且不适用于任意工况，很难模拟不控整流的情况。

● 平均值模型

平均值模型的建模方式基于开关函数的方法，同时结合了FPGA硬件进行PWM波的占空比测量，并把模型以一个较大的仿真步长在CPU上实时运行（大步长意味实时计算要求降低）。在使用上，平均值模型同样需要预先知道电路拓扑，不支持任意拓扑的建模，无法模拟基于单个开关的任意工况；同时因为步长相对较大，会损失一些仿真的细节，所以一般用在基于CPU的大系统的仿真中。

● 基于L/C开关的细节模型

基于L/C开关的细节模型是基于单个开关进行模型仿真，采用L/C开关建模的方法，即当开关闭合时建模为一个很小的电感，当开关断开时建模为一个很小的电容。这种方式使得电路中的开关在状态切换时不会影响电路拓扑的参数，能够有效地提高仿真的精度。同时，基于单个开关进行模型仿真的方式，支持用户可以搭建任意的电力电子拓扑，也可以仿真模拟拓扑中任意开关独立动作的工况，是目前电力电子系统开关建模的主流方式。

功能性指标3：仿真规模

硬件在环（HIL）仿真平台的另一个关键指标就是系统的仿真规模。仿真规模的评估不仅需要考虑单台仿真器运行的情况，也要评估是否存在多台仿真器并行运算的拓展性。

如果要研究时间尺度比较大、系统规模比较大的基于CPU的实时仿真，系统仿真的规模由单核CPU的能力以及仿真器CPU核心的数量来决定。对于电力系统的一些复杂情况，甚至需要多台仿真器通过并行的方式来联合仿真，提高仿真运算的规模；

若是要研究仿真步长要求小、对开关数量和仿真精度有要求的小步长仿真应用，仿真器仿真的规模由单块FPGA芯片的资源数量以及来决定。如果研究的系统比较小，单台仿真器甚至单台仿真的部分FPGA算力就能够满足要求；如果研究的系统比较大，开关数量非常多，就需要通过多台仿真器并行的方式来进行FPGA联合仿真，提高能仿真的开关元件的数量；

易用性指标1：模型兼容性

硬件在环（HIL）仿真平台对于模型的支持方式有两种：

1. 支持主流的建模仿真软件，如Simulink，适合主要利用Simulink来进行算法开发或者系统研究的用户，能比较方便地把离线仿真模型迁移到HIL仿真平台上；

2. 仿真平台使用特定的模型编辑环境，对于使用别的建模环境的用户来说增加了重新建模的时间成本，还会带来两种建模环境的数值结果不一致问题，因此适用于非Simulink用户或者有专业的工业模型库使用要求的用户。

易用性指标2：使用方式

将数学模型载入到硬件在环（HIL）仿真平台中，不同产品有不同的使用方式。常见的方式是将数学模型进行编译，然后部署到实时仿真器上，这种方式在每次修改电路后需要等待重新编译，以及会出现编译出错的情况，比较耗费时间。而远宽能源的小步长实时仿真技术支持直接将电路模型载入到仿真器的FPGA芯片中，直接进行仿真规模耗费的资源评估，不需要编译，这在需要反复改动电路的应用场景下能够节省非常多的编译和载入时间。

远宽能源的HIL产品

在前文中我们提到，电力电子系统仿真的步长一般在1微秒量级（相当于1秒更新一百万次），这类实时仿真的实现是很有挑战的。远宽能源自主研发的StarSim HIL实时仿真产品，利用FPGA强大的并行运算能力，能够进行精度高达250ns的小步长仿真，准确地模拟电力电子开关的动作特性，达到了国际先进的技术指标。同时，虽然应用了高端的FPGA硬件，但是StarSim HIL的实时仿真软件无需用户进行任何的编程工作，即可完成用户模型与FPGA芯片的结合，使用非常方便。