清华大学电机系电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室的研究人员顾小程、赵争鸣、冯高辉、李婧，在2017年第13期《电工技术学报》上撰文指出，电力电子系统通过功率半导体器件的开关控制来实现电磁能量的高效变换，提高系统的变换能力和可靠性是其终极目标。
尝试以系统中的能量及能量流为状态变量进行建模，建立变换系统的能流模型，可视化并直观地描述电力电子变换系统电磁能量的分布和传递情况。
以较复杂的多端口组合式电力电子变换器为例，建立“能流”的基本概念，设计构建能流图拓扑并给出可视化设计方法，结合科学计算可视化技术设计静态和动态界面，构建了一种基于能量流图分析方法的电力电子变换器系统设计和分析平台。
仿真和实验结果表明，能量流图分析方法能有效地表征电力电子系统大时间尺度的换流过程。
随着电力电子系统容量越来越大，其能量变换的特征越来越明显。
电力电子系统通过功率半导体器件的开关控制来实现电磁能量的高效变换，瞬态开关特性使得电磁能量产生快速变化。
由于能量变换遵循能量守恒和能量不能突变的原理，这种电磁能量快速变化将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装置设计不当，这种电应力就会对电力电子器件和装置的能量变换产生很大影响，轻者影响输出波形，重者损坏整个装置。
因此可以说，电力电子器件和装置的失效原因很多，但归根结底是由于其中的能量分布失衡、能量流通受阻等原因所致。
因此，若能直接从能量角度对电力电子装置中的能量分布和能量流动情况进行分析，进而对装置结构和器件参数进行针对性设计和选择，从而使得装置中的能量分布合理，能量流动畅通，将对提高装置的变换能力，提高装置可靠性有重要的理论和使用价值[1,2]。
本文尝试从能量的角度入手，建立“能流”的概念[3-5]，以能量和功率为直接状态变量，建立能流拓扑规则，以多端口组合式电力电子变换器为例，设计能流拓扑图并进行可视化，给出静态及动态界面，直观清晰地描述电力电子变换器工作时的能量流动与分布情况。
并且依据仿真和实验数据，给出实例，体现能流图进行系统能量流动特征的表征作用。
1电力电子变换器能流图表征1.1能流图基本概念及特征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情况及各部分之间清晰的能量传递关系，可定义“能流图”作为“表示能量分布和能量传递关系的动态图解”；并定义能流拓扑为其“静态骨架”[3]，以之为载体进行能量变换研究。
为此，首先定义“能流”为能量的移动。
它作为能流图中的重要状态变量，用于描述各元件之间的能量传递关系。
根据电力电子系统能流图的表征目的，可确定能流图的基本要素：①能量的分布情况；②能量的量值大小；③能量流动方向。
同样作为一种对电力电子变换器的分析方法，能流图区别于电路拓扑图的最大特征在于其明确表达了能量动力特征，综合性地描述了能流在时间上的变化和空间上的流动分布情况。
为了表征能量动力特征，对“能流图”提出了相对应的能流动力学特征，见表1。
除了表征能量动力特征，能流图还遵守节点功率守恒和能流流量守恒等关系。
对应于电路中的开关器件，能流图中定义“能流开关”来控制能量是否流通。
表1 能量动力特征及其对应的能流图特征1.2能流图基本假设前面已经提到，对于电力电子变换系统而言，进行能流分析时需要针对不同的时间尺度电磁瞬态过程建立不同的能量流图。
为简化起见，本文仅考虑大时间尺度瞬态过程，即以集总参数电路结构为基础来构建能流图，而忽略小时间尺度的开关瞬态过程。
基本假设如下：①功率开关器件为理想开关；②不考虑器件和系统杂散参数的影响；③不考虑控制回路的能流关系，仅考虑主功率电路的能流关系；④能量不能突变，各节点处能量平衡。
另外，可类比于“电流”的特征来分析“能流”在能流图中的传输路径和分配方式，二者的主要作用都是将能量由电源侧传到负载侧，并通过开关的控制在各部分之间流动，且达到动态平衡。
但在能流拓扑中，不再以电压电流作为能量传输的载体，而以功率为主要载体。
因此电路中的能量通过回路形式的电压电流携带，而能流图中的能量通过功率流携带，无需回路形式，只需一条能流通路或称能流支路即可。
能量也可以在终端（即储能或耗能元件处）消耗积累，无需通过回路回流，无需形成闭合回路。
通过电磁场理论角度的分析，也可以得出：能流可以功率为表征载体、能流无闭合回路的特征[6]。
1.3能流拓扑模型依据1.2节的基本假设，可以根据各类元件的电磁信息及能量特征，从电路拓扑入手，研究其到能流拓扑的转换，以确定对应于电路模型的能流拓扑模型，从而建立能流图结构模型。
集总参数的电路结构中，基本元件主要分为电源、电阻、电感、电容以及变压器等。
依据由小到大、由简单到复杂的基本原则，首先确定基本元件的能流拓扑模型，见表2。
表2 电路拓扑到能流拓扑的通用转换规则电源、电感、电容及电阻元件的基本能量特征表现为储能或是耗能。
根据参考文献[3,4]的方法，对应能流模型为能量端子，能量流动在该器件处产生一个中断，流入或流出，经过该端子作用后，可能继续往下流通，也可能止于该端子。
图1给出了电源和电阻的能流拓扑模型。
图1 “能量端子”模型依据电力电子开关器件的实际功能，可将其看作理想开关+损耗（等效为可变电阻）+理想开关占空比（等效为能量变化率）的组合。
以一对互锁开关为基本变换单元，互锁开关的不同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。
由于只考虑大时间尺度的能量变换过程，不考虑开关缓冲吸收电路及开关非理想因素等，因此在能量流动过程中，开关换流模块的作用仅表现为控制能量是否能够经此流通，则可对模型进行合理的简化，以“能流开关”作为开关换流模块的能流拓扑模型。
各类开关换流模型（单相、三相H桥等）都可以转换为“能流开关”。
能流开关提供一条能量通路，按照实际的能量流通情况，若开通则能量可以流通，若关断则能量不能流通。
需要注意“能流开关”用于表征能量是否流通，与电路开关有区别，需要与电路拓扑的不同开关状态相匹配[7]。
可通过常见开关组合桥臂的分析总结得出“能流开关”的基本换流单元模型，如图2所示。
图2 “能流开关”模型对于单个开关桥臂而言，其基本功能是实现能量从上一级向下一级的传递，只需单个“能流开关”支路即可表征。
对于多个开关桥臂组合的情况，例如三相H桥，存在多条能流通路，则需要多个“能流开关”支路进行表征。
但其具备一定的规律性：同一桥臂的上下开关互锁，任何时刻只有一只导通，有2n种开关组合（n为开关桥臂个数），对应于n条能流通路，且在上管全开或下管全开的组合中，能流无法流通，因此可以用干路能流开关+支路能流开关的组合来表征。
变压器模块的突出特征是磁耦合、电隔离，且一次、二次侧存在电压比。
为了反映其基本特征，借鉴“无线能量传输”的研究思路，从场的角度出发考虑，变压器能量并不经过导线，而是通过磁场耦合由一次侧向二次侧传输的，由此建立其“无线模型”，如图3所示。
图3 变压器“无线模型”1.4多端口组合式电力电子变换器的能流图依据上述基本元件拓扑模型，以多端口组合式的电力电子变换器为例，进行能流拓扑构建，并基于能流图对变换器中的能量流动和传递情况进行能流分析。
以图4所示变换器的电路拓扑为例[8]，构建其能流拓扑图，它是分模块构建之后再进行组合的。
该电力电子变换器主电路主要包括AC-DC整流、隔离DC-DC变换及DC-AC逆变等部分，分别起到将交流能量变为直流能量、前后直流能量变换及电气隔离、将直流能量变为交流能量等作用。
AC-DC整流部分为了升高电压，采用了多级联结构，在能流拓扑中为了增强展示效果，不宜有过多的串级，因此只采用了一级连接的表征。
需要特别说明的是，隔离DC-DC部分采用了高频变压器来实现电气隔离，增强了系统的安全可靠性，并且由于变压器的两边都采用了全控的桥式电路，因此可以实现各变流单元的分别控制，以实现能量的双向流动[9]。
图4 多端口组合式电能变换器针对每个模块按照器件的基本变换规则进行转换后再组合，可以得到整个变换器的能流图如图5所示。
AC-DC整流部分的电源和电感转换为能量端子，而级联的H桥整流部分转换为“能流开关”，表征能量是否可以流通。
隔离DC-DC部分的两个全控桥都转换为能流开关，两侧的母线电容转换为能量端子，而变压器模块则转换为其能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，由于将直流逆变为三相的交流，因此需要多个能流开关进行控制，ABC三相各需一个控制能量能否流通的开关，并且需要一个总开关控制能流是否流通，而电感、电容和电阻负载等则被看作为能量端子。
同时，该电力电子变换器提供了一个外接的直流接口。
图5 能流图设计依据能流拓扑图，可以进行能量分布传递情况分析。
图6给出了系统脱离高压交流电源运行，能量仅在低压交流负载和直流电源（光伏、蓄电池）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，下桥臂开关全断或上桥臂全断，下桥臂全开，或是全断开等，反映在能流图中就是能流开关1断开。
此时能量无法由高压交流电源传入，而限于在直流电源和低压交流负载之间交换。
若存在多余的能量，则通过隔离DC-DC模块传给高压侧的母线电容，高压交流电源和电感之间存在能量的交换。
图中，存在能量流通的通路标注为实线，无法流通能量则标注为虚线，在能流拓扑中直观清晰地反映了能量的流通和传递情况。
图6 能流分析2电力电子能流图可视化设计构建了能流拓扑模型后，结合科学计算可视化技术，可以对其进行可视化设计，使其更加清晰直观地反映电力电子装置能量分布和能流状况。
一种可视化设计方法是选用OPENGL应用编程接口作为设计平台，实现可视化的静态及动态能流图的表征。
OPENGL接口适合于此类应用，其三维表征能力有助于表现能量流随时间的变化情况[10,11]。
2.1可视化设计原则与方法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，并进行旋转、平移等变换，辅以平行或透视投影的作用，配合纹理绘制、改变光照和着色等功能，可以产生逼真的三维效果。
其三维效果的产生主要
