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清华大学电机系电力系统与发电设备安全控制与仿真国家重点实验室研究员顾晓成、赵正明、冯高辉、李静在《电工学报》第13期发表文章Electrotechnical Society" in 2017. 利用半导体器件的开关控制实现电磁能的高效转换，最终目的是提高系统的转换能力和可靠性。

尝试将系统中的能量和能量流建模为状态变量，建立转换系统的能量流模型，形象直观地描述电力电子转换系统中电磁能量的分布和传递。 以较为复杂的多端口组合式电力电子变流器为例，建立了“能量流”的基本概念，设计构建了能量流图的拓扑结构，给出了可视化设计方法，静态和结合科学计算可视化技术设计动态界面，构建了一种基于能流图分析方法的电力电子变流器系统设计分析平台。

仿真和实验结果表明，能量流图分析方法可以有效表征电力电子系统的大时间尺度换相过程。

随着电力电子系统容量的增大，其能量转换的特点越来越明显。 电力电子系统通过功率半导体器件的开关控制实现电磁能量的高效转换，瞬态开关特性使电磁能量发生快速变化。 由于能量转换遵循能量守恒原理，能量不能突然变化，这种电磁能量的快速变化会在器件中产生很大的电应力（如di/dt和dv/dt）。

如果器件参数选择和器件设计不当，这种电应力将对电力电子器件和器件的能量转换产生很大的影响。 轻则影响输出波形，重则损坏整个器件。 因此，可以说，电力电子器件和器件发生故障的原因是多方面的，但归根结底是由于能量分布不平衡和能量流动受阻所致。

因此，如果能直接从能量的角度分析电力电子器件中的能量分布和能量流动，进而有针对性地设计和选择器件结构和器件参数，使器件中的能量分布成为可能。合理，能量流动顺畅。 对于提高器件的变压能力、提高器件的可靠性将具有重要的理论和实用价值[1,2]。

本文试图从能量的角度建立“能量流”的概念[3-5]。 以能量和功率为直接状态变量，建立能量流的拓扑规则。 以多端口组合式电力电子变换器为例，将设计能量流 流拓扑图可视化，并给出静态和动态界面，直观清晰地描述电力电子变换器在工作时的能量流动和分布在职的。 并在仿真和实验数据的基础上，举例说明了能量流图在表征系统能量流特性方面的作用。

1 电力电子变换器能量流图表征

1.1 能流图的基本概念和特点

为了直观、清晰地描述电力电子变换器在不同工况下的能量分布和各部分之间清晰的能量传递关系，“能量流图”可以定义为“表示能量分布和能量传递关系的动态图” "; 并将能量流拓扑定义为其“静态骨架”[3]，并将其作为能量转换研究的载体。 为此，首先将“能量流”定义为能量的运动。 作为能量流图中重要的状态变量，用来描述各组成部分之间的能量传递关系。 根据电力电子系统能量流图的表征目的，可以确定能量流图的基本要素：①能量分布； ②能量大小； ③能量流动方向。

同样作为电力电子变换器的一种分析方法，能流图区别于电路拓扑图的最大特点是它清晰地表达了能量的动态特性，全面地描述了能量流在时间上的变化和在时间上的流动。空间分布。 为了表征能量动态特性，对“能量流图”提出了相应的能量流动态特性，见表1。能量流图除了表征能量和动态特性外，还服从节点功率守恒关系和能量流守恒。 对应于电路中的开关器件，在功率流图中定义了一个“功率流向开关”来控制能量是否流动。

表1 能量动态特性及对应的能量流图特征

1.2 能流图的基本假设

如上所述，对于电力电子转换系统，在进行能量流分析时，需要针对不同时间尺度的电磁暂态过程建立不同的能量流图。 为简单起见，本文仅考虑大时间尺度的暂态过程，即基于集总参数电路结构构建潮流图，忽略小时间尺度的开关暂态过程。 基本假设如下：①功率开关器件是理想开关； ②未考虑器件和系统杂散参数的影响； ③不考虑控制回路的能量流向关系，只考虑主电源回路的能量流向关系； ④能量不能突然变化，各节点能量平衡。

另外，能量流图中“能量流”的传输路径和分配方式可以类比“电流”的特性来分析。 两者的主要作用是将电源侧的能量传递到负载侧，并通过开关的控制使能量在各部分之间流动，达到动态平衡。 但在潮流拓扑结构中，不再以电压和电流作为能量传输的载体，而以功率为主要载体。 因此，电路中的能量是由电压和电流以回路的形式承载的，而能量流图中的能量是由功率流承载的。 不需要回路，只需要一条能量流路或能量流支路。 能量也可以在终端（即在能量存储或能量消耗元件处）被消耗和积累，而不通过回路返回或形成闭环。

通过从电磁场理论的角度分析，也可以得出能量流可以以功率为载体的特征，能量流不具有闭环特性[6]。

1.3 能流拓扑模型

根据1.2节的基本假设，根据各元器件的电磁信息和能量特性，我们可以从电路拓扑入手，研究其向能流拓扑的转换，从而确定对应的能流拓扑模型电路模型，从而建立能流图结构模型。 在集总参数电路结构中，基本元器件主要分为电源、电阻、电感、电容和变压器。 按照由小到大、由简单到复杂的基本原则，首先确定基本元器件的潮流拓扑模型，见表2。

表2 电路拓扑到潮流拓扑的一般转换规则

电源、电感器、电容器和电阻器的基本能量特性是能量存储或能量消耗。 根据参考文献[3,4]的方法，对应的能量流模型为能量终端，能量流在设备处产生中断，流入或流出，终端动作后，可能继续向下流动，或者它可能会停在终端。 图 1 显示了电源和电阻器的功率流拓扑模型。

图1 “能源终端”模型

根据电力电子开关器件的实际作用，可以看作是理想开关+损耗（相当于可变电阻）+理想开关占空比（相当于能量变化率）的组合。 以一对互锁开关为基本转换单元，不同的互锁开关组合构成不同的开关换流电路模块，得到不同的开关换流能流拓扑结构。 由于只考虑大时间尺度的能量转换过程，没有考虑开关缓冲吸收电路和开关非理想因素，因此在能量流动过程中，开关变换模块的作用只是控制是否能量可以流过它，那么就可以对模型进行合理简化，采用“能量流开关”作为开关变换器模块的能量流拓扑模型。

各种开关换流模型（单相、三相H桥等）均可转换为“能流开关”。 能量流开关提供能量路径。 根据实际的能量流向，开启则能量可以流动，关闭则能量无法流动。 需要注意的是，“能流开关”用来表示能量是否流动，它不同于电路开关，需要匹配电路拓扑的不同开关状态[7]。 通过对常见开关组合桥臂的分析，可以得到“能流开关”的基本变换单元模型，如图2所示。

图2“潮流开关”模型

对于单个开关桥臂来说，其基本功能是实现能量从上层到下层的传递，其特点是只有一个“能流开关”支路。 对于多个开关桥臂的组合，如三相H桥，存在多个能量流路，需要多个“能量流开关”支路进行表征。 但它有一定的规律性：同一个桥臂的上下开关是互锁的，任何时候只有其中一个是导通的，有2n种开关组合（n是开关桥臂的个数） ，对应n条能量流路，在上管全开或下管全开的组合中，能量流不能流动，所以可以用主回路能量流开关+支路的组合来表征电路能流开关。

变压器模块的突出特点是磁耦合、电气隔离以及原副边之间存在电压比。 为了体现其基本特性，参考“无线能量传输”的研究思路，从领域的角度考虑，变压器的能量不通过导线，而是从原边传输到二次侧通过磁场耦合，从而建立其“无线模型”，如图3所示。

图 3 Transformer“无线模型”

1.4 多端口组合式电力电子变换器能量流图

根据以上基本元器件的拓扑模型，以多端口组合式电力电子变换器为例，构建能量流拓扑结构，并根据能量流图分析变换器中能量的流动和传输。 以图4所示变换器的电路拓扑为例[8]，构建其能量流拓扑图，在子模块构建完成后组装。 电力电子变换器的主电路主要包括AC-DC整流、隔离DC-DC变换和DC-AC逆变器等，分别起到将交流电转换为直流电、前后转换直流电的作用，电气隔离直流能量。 转化为能量的交换等等。

为了提高电压，AC-DC整流部分采用多级联结构。 为了增强潮流拓扑中的显示效果，不宜级联太多，所以只采用一级连接。 需要注意的是，隔离DC-DC部分采用高频变压器实现电气隔离，增强了系统的安全性和可靠性，并且由于变压器两侧采用全控桥式电路，可以实现各种电流转换。 对单元进行单独控制以实现能量的双向流动 [9]。

图 4 多端口组合电源转换器

将各模块按照器件的基本转换规则进行转换组合后，即可得到整个转换器的功率流图，如图5所示。AC-DC整流部分的电源和电感转换为能量终端，而级联的H桥整流部分则转换为“能量流向开关”，指示能量是否可以流动。 隔离DC-DC部分的两个全控桥转换为功率流开关，两侧的母线电容转换为能量端，变压器模块转换为其功率流图的无线能量传输模型。

DC-AC逆变部分的逆变桥转换为能流开关。 由于直流逆变为三相交流，需要多个能流开关进行控制。 ABC三相各需要一个开关来控制能量是否流通。 ，需要一个总开关来控制能量流是否流动，而感性、容性和阻性负载则被视为能量终端。 同时，电力电子变流器对外提供直流接口。

图5 能量流图设计

根据能量流拓扑图，可以进行能量分布和传递的分析。 图6给出了系统运行在高压交流电源之外，能量仅在低压交流负载和直流电源（光伏、电池）之间交换的情况分析。

AC-DC整流模块的开关控制为上桥臂开关全开，下桥臂开关全关或上桥臂全开，下桥臂全开，或完全断开等，反映在能量流图中。 流量开关 1 打开。 此时，能量不能从高压交流电源输入，仅限于直流电源与低压交流负载之间的交换。 如果有多余的能量，会通过隔离DC-DC模块传递给高压侧的母线电容，高压交流电源与电感之间进行能量交换。

图中，能量循环的路径用实线标出，能量不能循环的路径用虚线标出，直观清晰地反映了能量流拓扑中能量的循环和传递。

图6 能量流分析

2 电力电子能流图可视化设计

构建潮流拓扑模型后，结合科学计算可视化技术，进行可视化设计，更清晰直观地反映电力电子设备的能量分布和潮流状态。 一种可视化设计方法是以OPENGL应用程序编程接口为设计平台，实现静态和动态能量流图的可视化表示。 OPENGL 接口适合此类应用，其三维表示能力有助于表示能量流随时间的变化[10,11]。

2.1 视觉设计原则与方法

OPENGL界面包含多个主要函数库，以基本图元（点、线、面等）为基础，绘制几何图形，进行旋转和平移等变换，辅以平行或透视投影、纹理绘制，改变照明和阴影等特征可以产生逼真的三维效果。 三维效果主要来自视角的变化，如图7所示[11]。 表3总结了常用函数及其作用。

图7 “观察者”视角的解释图

表3 常用函数及其功能对照表

在明确了图元的绘制方法之后，还需要明确在本应用中用哪些图形来表示能量流图的各个元素。 潮流图的动态界面是建立在静态界面之上的，可以控制静态界面根据功率和能量数据“移动”，所以最基本的需求就是绘制静态界面图。

选择应用视角的“管道”标记每一个能量流支路，绘制能量柱标记每一个设备的容量，并设置一定的透明度避免与动态图中随能量变化而变化的能量柱发生遮挡. 在绘制动态图时，引入“粒子流”和“场线流”，分别分析有电连接的潮流支路中的能量流和无电连接的潮流支路（变压器模块）中的能量流来表征.

“粒子流”和“场线流”的主要实现方式类似，都是使用形状简单的粒子或线段作为基本元素，通过在屏幕上显示基本元素运动的轨迹来模拟运动的动态效果。 基本元素属性设置及其含义见表4。 基本属性设置完成后，可以控制元素的移动产生动态效果，如图8所示。

表4 能量流图中基本元素的性质及其含义

图8 基本元素的控制流程

2.2 程序结构

OPENGL界面实现动静态界面的程序结构图如图9所示。创建用户界面窗口后，设置其大小、颜色、显示方式等基本属性，初始化参数，给出使能信号要使用的功能。 并且需要读入功率能量数据以实现动态能量流图。 表5给出了主要功能及其作用并进行了说明。限于篇幅，并未涉及所有的子功能，也没有给出具体的程序代码。

图 9 程序结构图

表5 主要功能及其作用

2.3 静态可视化能量流图

根据基本的设计原则和编程方法，可以绘制静态能量流图。 仍以多端口组合式电力电子变换器为例。

首先给出了各组件的可视化模型。 电源、电阻、电感、电容等基本元件的可视化模型是根据它们的能量流模型建立的。 它们是能量终端。 阻力是最低的。 能量柱的半径根据组件的容量来确定。 对应部件的容量越大，能量柱就越粗。

但是为了形象化，并不是完全成正比的，因为电源的容量比其他元器件大一个数量级，如果完全按照计算的话，很难在一个窗口里清楚显示容量）。 而不同的元器件是通过能量柱的颜色灰度来区分的，这些元器件包括：电源（DC Source, Grid）、电容（Capacitor）、电感（Inductor）、负载（Load）、变压器（Transformer），其中，电源包括电网（Grid）和直流电源（DC Source），分为光伏发电（PV）模块和电池（Battery）两种。 外接DC接口电源用横向能量柱表示，以表示与AC电源的区别。

此外，静态图片中的能量柱设置了一定的透明度，以反映设备容量，避免与动态界面中动态变化的能量柱相互遮挡。 根据理想开关假设，开关器件只作为潮流开关使用，不考虑过渡过程和开关损耗。 在整个能量流动过程中，它只是起到控制能量能否流动的作用。 任何潮流支路都没有消耗，所以开关的可视化模型可以用潮流支路来表示。

此外，对于变压器来说，它还具有磁耦合、电去耦、无电连接等特点。 使用“无线模型”，定义“场线流”来描述通过磁耦合传输的功率，假设“场线流”是均匀分布的，其流速代表功率流的大小，其运动方向表示功率流的流向。 基于基本元器件的可视化模型，可以进行子模块设计，最终集成连接，得到完整的静态能量流图，如图10所示。

图10 静态可视化能量流图

可以看出，对应于潮流拓扑设计，整个变换器仍然可以分为AC-DC整流、隔离DC-DC变换、DC-AC逆变和DC端口部分。 能量通过各个能量流支路在整个变换器之间流动，也可以只在某些元器件之间进行交换全桥逆变电路原理图，甚至只存在于相邻的电感和电容之间。 此外，界面中还给出了时间进度参考条，方便观察，并给出图例解释各能量柱所代表的含义，增加界面的可视性和可读性。

2.4 动态可视化能量流图

在静态界面的基础上，读入功率和能量数据，通过功率能量的大小来控制粒子流的运动、场线的流动和能量柱高度的变化，从而达到实现动态接口。

在动态界面的初始化中，需要静态填充“粒子流”和“场线流”，并将数量、位置等信息初始化为动态过程开始时的状态，如图11.

图11 动态可视化界面初始化

从本质上讲，动态效果是由元素按一定规律运动而产生的。 如果流动力为零，则将元素的基本生命周期值设置为零，使元素从屏幕上消失，不可见。 如果功率不为零，则根据功率的大小确定元件的速度，功率流的方向对应于元件的运动方向。 只需要控制元素的三维坐标和三维速度指标即可。 当图元位于分支的起点或终点时，它会被重置，以便返回到移动开始的位置（可能是分支的起点或终点）。

在动态图中，能量柱的高度代表设备上的能量值。 在实际设计中，采用定时更新其值的方法，每隔一定时间叠加一个功率值，相当于功率对时间的积分作用，其对应的能量值可以反映能量大小的变化。 需要注意的是，由于实际的电量变化是几百毫秒到几秒的结果，而这么小的时间尺度人眼很难分辨，所以可视化界面中的时间进度条仍然以毫秒为单位标注，但它实际上对应动画变化的时间是s级，相当于10ms的实际功率变化，人眼看到流逝的时间大概是1s，表观时间长度放大了100倍。

电能数据来源于Matlab Simulink仿真。 首先通过Matlab工具进行数据预处理，包括对原始仿真数据进行采样滤波，根据采样数据进行功率计算，根据倍数差对功率数据进行缩放（避免功率之间的数量级差异） , 难以在可视化界面展示 缺点如 ), 生成界面可以调用的数据文件等， 之后从界面读入数据（以二进制格式读取），存入流数组供以后使用。 数据处理读入后，可以设置能柱高度变化、“粒子流”和“能流”属性等，完成动态界面的设计。

3 能流图及其可视化应用实例

通过将仿真和实验得到的结果代入到可视化界面设计中，一些电力电子暂态过程可以用能量流图表示，如能量脉动、过冲等暂态过程，实现能量流图的简单应用.

3.1 表征模拟中的典型现象

举几个典型的时刻来说明。 如图12a所示，在213ms时，系统连接到高压交流电源，低压交流负载也连接到系统。 图 12b 显示了系统与高压交流电源断开连接的时刻。 与213ms相比，负载侧能量柱上升，图中左侧高压交流电源能量柱下降，反映出能量从高压交流电源向低压侧传输-电压交流负载。 而且，Lf和C能柱的上升部分来自于电源能量下降，一部分通过变压器（Transformer）传输到负载侧。

如图12c所示时刻，系统与高压交流电源断开，光伏（PV）和电池（Battery）的输出能量和功率增加。 与565ms相比，Grid能量栏没有变化，因为没有连接到系统，没有能量消耗。 在光伏能量柱明显下降的同时，低压交流侧负载仍在消耗能量，其能量柱有所增加。 如图12d所示，系统仍处于离网状态，

(a) 213ms时接通高压交流电源

(b) 在 565ms 时脱离高压交流电源

(c) 699ms时系统仍处于离网状态

(d) 741ms时系统仍处于离网状态

(e) 831ms时，系统重新接入高压交流电源

图12 不同时间的动态能量流图截图

负载没有变化，光伏出力大大增加，光伏的能量柱一目了然。 如图 12e 所示，当系统重新连接到高压交流电源时，负载会积累更多的能量。 从图12可以看出，整个过程中各个元器件上的实际能量没有超过器件容量，不存在超量问题，设计合理，留有足够余量。

但仍然可以看出，元器件存在局部能量集中，如交流供电侧电感、电容能量过度集中全桥逆变电路原理图，会导致元器件负载过大、寿命缩短等问题，以及the concentration of energy on the load resistance will also cause problems. The heat cannot be dissipated in time, which makes the system temperature rise, etc., and the design of the converter still needs to be improved. It can be seen that the energy flow diagram can intuitively represent the energy flow and distribution, and assist in the analysis and design of the power electronic conversion system.

3.2 Typical phenomena in characterization experiments

The energy flow diagram can also dynamically represent the experimental phenomena, as shown in Figure 13. The comparative analysis reflects the process of the load gradually connecting to the system.

Figure 13 Screenshots of each moment of the dynamic energy flow diagram

It can be seen from Figure 13 that with the load connected, the energy column on the low-voltage load side rises, and the energy column on the high-voltage AC power supply side (Grid) drops. And there is a problem of too much energy concentration on the b-phase inductance on the low-voltage load side, while the energy on the a and c two-phase loads is less, which may be caused by the imbalance of the three phases at this time.

If the system parameters are set reasonably and the control logic is reasonable, the occurrence of this phenomenon may be due to changes in the operating environment, various components do not meet the set parameters, and three-phase unbalanced operation, then it may be necessary to carry out targeted maintenance and troubleshooting of the system. It can be seen that the energy flow diagram can clearly and intuitively reflect some phenomena in the experiment, and has a certain ability to represent information.

3.3 Comparison of circuit results

In this section, aiming at the above-mentioned experimental phenomena, the circuit waveform is given as shown in Figure 14, and compared with the results of the energy flow diagram.

Figure 14 Waveform diagram of the main power of the circuit changing with time

As shown in Figure 14, during the entire change process, before 0.4s, the output power of the high-voltage AC side changes little. After the low-voltage AC side is connected to the load, the load remains unchanged, and the DC photovoltaic output and battery power basically remain unchanged. From 0.4 to 0.9s, the high-voltage side loses power (off-grid). At this time, the photovoltaic output and battery output increase to continue to provide energy to the load, and the load remains unchanged. 0.9 to 1.0s (the time period represented by the energy flow diagram is 0 to 1s), the high-voltage AC power supply is connected, the load increases, and the basic energy of the DC interface remains unchanged.

From Figure 14, the trend of the entire change process can be read, reflecting the change process. However, from the perspective of reflecting energy flow, it is not intuitive and clear enough compared with the energy flow diagram. Therefore, the energy flow diagram has the advantages of its representation. In addition, this article only gives screenshots of the dynamic process. If you directly observe the dynamic diagram of the energy flow diagram, it will be more clear.

4。结论

Aiming at the power electronic conversion system, this paper establishes a characterization method of the energy flow graph to characterize its dynamic behavior on a large time scale, so that the visual design and analysis of the power electronic system can be carried out based on the energy flow graph.

Taking the multi-port combined power electronic converter as an example, the basic implementation process from the establishment of the power flow diagram model, the visual design to the application of the simulation experiment is given. The example shows that the energy flow diagram has a very intuitive representation of the electromagnetic energy conversion process of the power electronic conversion system, especially for the energy distribution, energy magnitude and energy flow transmission direction in the system. The structural design and parameter selection of components have good guiding significance; at the same time, it can give a pre-evaluation and prevention of potential failures of the converter. Furthermore, it has important theoretical significance and application value for improving the conversion capability and reliability of power electronic systems.

In this paper, the visual design and analysis of power electronic systems based on energy flow diagrams is only a preliminary exploration work. At present, it is limited to the characterization of the large-time-scale flow conversion process in the conversion system. Many theoretical and technical issues still need to be further explored. Discuss [12-14].