Power hardwarefür Simulation und Validierung erklärt Ingenieur:innen

Wichtigste Erkenntnisse

• Wählen Sie die Größe eines PHIL-Verstärkers anhand der in Ihrem Testplan vorgesehenen Fehler-, Einschalt- und Gegenleistungsszenarien aus, da die Nennleistung kaum Aufschluss darüber gibt, welchen Belastungen das Prüfgerät standhalten wird.
• Die Verstärkungsverzögerung und die Bandbreite legen den Frequenzbereich fest, in dem Ihre Ergebnisse zuverlässig sind. Geben Sie diesen Bereich daher neben jeder Messung an.
• Überprüfen Sie das Impedanzverhältnis für Ihren schwächsten Netzfall auf dem Papier und wählen Sie den Schnittstellenalgorithmus aus, bevor eine „ hardware “ in Betrieb genommen wird.

Ein Power- hardware -in-the-Loop-Prüfstand ist nur so zuverlässig wie der Verstärker und die Schnittstelle, die den Regelkreis schließen.

PHIL Tests schaltet einen physischen Wechselrichter, ein Batteriesystem oder ein Schutzgerät an ein simuliertes Netz mit realer Spannung und realem Strom an. Der Leistungsverstärker befindet sich zwischen den beiden, sodass seine Nennwerte, Bandbreite und Verzögerung jedes von Ihnen aufgezeichnete Ergebnis beeinflussen. Wenn Sie ihn allein nach seiner Nennleistung auswählen, erhalten Sie einen Prüfstand, der bereits beim ersten schwachen Netzfall auslöst oder ein Verhalten meldet, das das Gerät nie gezeigt hat.

Die Speicherprojekte, die in den Vereinigten Staaten auf einen Netzanschluss warten, beliefen sich Ende 2025 auf insgesamt 749 GW. Diese Leistung wird über Leistungselektronik ans Netz angeschlossen, die sich erst in Bezug auf Störungen, schwache Netze und Inselbetrieb bewähren muss, bevor sie vor Ort in Betrieb genommen werden kann. Die Auswahl der Verstärker und die Regelkreisstabilität sind ein wichtiger Entscheidungsfaktor. Diese Entscheidung sollte vor der Bestellung getroffen werden.

Was die Einbindung von Power- hardware s in den Prozess Tests für Energielabore bedeutet

Die Leistungs hardware -in-the-Loop- Tests verbindet ein physikalisches Leistungsgerät über einen Leistungsverstärker mit einer Echtzeitsimulation, sodass tatsächliche Energie über die Schnittstelle fließt. Der Simulator berechnet das Netz, der Verstärker bildet dessen Spannung an den Anschlüssen des Geräts nach, und die „ Sensor-und Datenfusion “ geben den gemessenen Strom bei jedem Zeitschritt an das Modell zurück.

Stellen Sie sich einen 5-kW-Batterie-Wechselrichter auf Ihrer Werkbank vor. Der Simulator lässt ein Netzabschnittsmodell mit einem Fehler drei Busse weiter laufen, der Verstärker senkt die Klemmenspannung, während sich dieser Fehler entwickelt, und der Wechselrichter reagiert mit echtem Strom. Dieser Strom fließt zurück in das Modell, wodurch sich die Netzabschnittsspannung im nächsten Schritt ändert.

Das Gerät und das simulierte Netz beeinflussen sich gegenseitig, sodass Wechselwirkungen wie Spannungsschwankungen auf einer langen Zuleitung auftreten. Das bedeutet auch, dass der Prüfstand eine Rückkopplungsschleife darstellt, und Rückkopplungsschleifen können instabil werden.

Inwiefern sich PHIL von HIL auf Controllerebene unterscheidet Tests

Der Hauptunterschied zwischen PHIL und HIL besteht darin, was die Schnittstelle überquert. Beim Controller-HIL werden Niederspannungssignale zwischen einem Regler und einer simulierten Anlage ausgetauscht, sodass keine nennenswerte Leistung fließt. Beim Power-HIL werden Spannung und Strom im Nennbereich mit der Leistungsstufe selbst ausgetauscht, was einen Verstärker, eine „ Sensor-und Datenfusion “ und ein Stabilitätsproblem mit sich bringt, mit denen die Signalpegel- Tests nie konfrontiert ist.

Ein Programm zur Netzanbindung des Wechselrichters zeigt, wo die einzelnen Komponenten hingehören. Zunächst würden Sie die Steuerungs-Firmware auf dem Controller-HIL testen, indem Sie Fehlerfälle an einem simulierten Umrichter durchspielen, ohne dabei ein Risiko für hardware einzugehen. Als Nächstes folgt PHIL, bei dem die fertige Leistungsstufe, ihr Filter und ihre thermischen Grenzwerte auf dem Prüfstand getestet werden. Das Überspringen der ersten Stufe macht PHIL zu einem kostspieligen Debugging-Vorgang. Das Überspringen der zweiten Stufe führt dazu, dass Filterresonanz, Sensorfehler und Strombegrenzung erst vor Ort getestet werden.

Verstärker-Nennleistungen, die darüber entscheiden, was Ihr Prüfstand testen kann

Die Auswahl des Verstärkers beginnt mit dem ungünstigsten Fall in Ihrem Testplan. Der Verstärker muss die höchste Spannung aushalten, den größten transienten Strom liefern und die größte von Ihrem Gerät erzeugte Rückspeisleistung mit einer gewissen Sicherheitsmarge aufnehmen können.

Der Vierquadrantenbetrieb ist der erste Filter für die Energiearbeit. Ein Speicherwechselrichter lädt und entlädt, und ein Solarwechselrichter, der einem Spannungsdurchhaltetest unterzogen wird, leitet Blindstrom in beide Richtungen. Eine Zweiquadrantenquelle kann diese Leistung nicht aufnehmen, sodass sie genau dann ausfällt oder Verzerrungen verursacht, wenn der Test spannend wird. Regenerative Konstruktionen führen die aufgenommene Energie in die Laborversorgung zurück, wodurch die Wärmeentwicklung bei langen Zyklusläufen gering gehalten wird.

Notieren Sie sich diese 5 Zahlen aus Ihrem Testplan, bevor Sie die Datenblätter vergleichen.

• Spitzenspannung an den Anschlüssen bei Überspannung und während der Durchfahrtsphase
• Spitzenstrom bei Fehlern und Einschaltstrom sowie dessen Dauer
• Maximale Leistung, die das Gerät an den Prüfstand zurückfördert
• Höchste Frequenz, die wiedergegeben werden soll, einschließlich Obertöne
• Kleinste und größte Netzimpedanz, die Sie simulieren möchten

Ein 5-kW-Wechselrichter benötigt selten einen 5-kW-Verstärker. Ein Fehlerfall, bei dem für einige Zyklen der doppelte Nennstrom anliegt, oder ein Überspannungsfall bei 120 % des Nennwerts bestimmt die Größe des Verstärkers schon lange bevor die auf dem Typenschild angegebene Nennleistung dies tut.

Warum die Bandbreite des Verstärkers die Obergrenze für die Schleifengenauigkeit festlegt

Bandbreite und Verzögerung bestimmen, wie originalgetreu der Verstärker das simulierte Gitter wiedergibt und wie viel Phasenreserve die Regelschleife beibehält. Jede Mikrosekunde zwischen einer simulierten Spannung und ihrem Auftreten an den Anschlüssen führt zu einer Phasenverzögerung, die mit steigender Frequenz zunimmt.

„Die Nennleistung gibt an, was man testen kann, und die Verzögerung gibt an, inwieweit man den Ergebnissen vertrauen kann.“

Die Phasenverschiebung in Grad entspricht dem Produkt aus 360, der Frequenz und der Schleifenverzögerung. Eine Schleife mit einer Gesamtverzögerung von 100 Mikrosekunden weist bei 60 Hz eine Phasenverschiebung von etwa 2,2 Grad und bei 1 kHz von 36 Grad auf. Die Grundschwingung sieht in Ordnung aus. Obertöne und etwaige Filterresonanzen im Bereich von 1 kHz hingegen nicht, und genau dort ist der Stromregler eines Wechselrichters am empfindlichsten.

Lineare Verstärker bieten die größte Bandbreite und die geringste Verzögerung, allerdings auf Kosten des Wirkungsgrads und der Wärmeentwicklung. Schaltverstärker lassen sich auf höhere Leistungen skalieren und regenerieren sauber, allerdings schränkt ihr Ausgangsfilter die Bandbreite ein. Bei einer Untersuchung der Oberschwingungen spricht eher etwas für lineare Verstärker, während ein Langzeit-Zyklustest eher für ein Schaltgerät spricht. Sie müssen sich entscheiden, mit welchem Fehler Sie leben können.

Wie Schnittstellenalgorithmen einen geschlossenen PHIL-Regelkreis stabil halten

Der Schnittstellenalgorithmus ist die Regel, die simulierte Größen den Verstärkerbefehlen zuordnet und Messwerte zurück an das Modell überträgt; er entscheidet darüber, ob der Regelkreis konvergiert. Die Methode des idealen Transformators ist die einfachste und genaueste, bleibt jedoch nur dann stabil, wenn die Impedanz des „ hardware “ größer ist als die simulierte Quellenimpedanz.

Nehmen wir eine Spannungs Kategorie e ideale Transformatorschnittstelle mit einer simulierten Gitterimpedanz von 0,5 Ohm und einem Bauelement, das wie 2 Ohm aussieht. Das Verhältnis beträgt 0,25, und die Schleife stabilisiert sich. Modellieren Sie nun ein schwaches Netz mit 3 Ohm gegenüber demselben Gerät. Das Verhältnis beträgt 1,5, jeder Durchlauf durch die Schleife verstärkt den Fehler, und der Verstärker löst aufgrund von Überstrom aus. Untersuchungen zu schwachen Netzen sind genau das, was Netzbetreiber verlangen, daher tritt diese Grenze schon früh auf.

Jede Alternative sorgt für Stabilität, allerdings auf Kosten einer gewissen Genauigkeit oder eines gewissen Aufwands. Forscher:innen , der eine Smith-Vorhersagefunktion in eine Schnittstelle zur partiellen Schaltungsduplizierung integrierte, erhöhte die Verstärkungsreserve von etwa 1 auf 3 – genug, um eine Regelschleife aus dem Vorteil der Stabilität herauszuholen.

Führen Sie die Stabilitätsprüfung auf Papier durch, bevor Sie irgendetwas unter Spannung setzen. Wenn das Impedanzverhältnis für Ihren schwächsten Gitterfall nahe bei oder über 1 liegt, ändern Sie zunächst die Schnittstellenmethode und behandeln Sie jede Filtergrenzfrequenz als Genauigkeitsbudget.

Beispiele für PHIL-Prüfstände für den Einsatz im Bereich der Netzenergie

Nützliche Beispiele für PHIL-Prüfstände haben eines gemeinsam: Verstärker, Simulator, „ Sensor-und Datenfusion “ und Schutzvorrichtungen wurden als Set ausgewählt. Die Validierung des „ Microgrid “-Reglers, der „Ride-Through“-Betrieb des Speicherwechselrichters und die Inselbetriebserkennung laufen alle auf derselben Schleife ab, wobei lediglich das Modell und das zu prüfende Gerät ausgetauscht werden.

Ein „ microgrid “-Prüfstand verdeutlicht dies. Eine Verstärkereinheit emuliert die Netzzuleitung, eine zweite emuliert eine Solaranlage auf der Gleichstromseite, und ein physischer Speicherwechselrichter ist zwischen ihnen geschaltet, während der Simulator den Rest des Netzes betreibt. Bei OPAL-RT bauen wir den OP1400-Prüfstand auf der Basis eines Vierquadranten-Leistungsverstärkers in 5-kW-Einheiten, die auf 30 kW skalierbar sind, und der OP1420 vereint nach dem gleichen Prinzip einen kompletten „ microgrid “-PHIL-Prüfstand. Ein integrierter Prüfstand bedeutet, dass die Regelverzögerung und die Schutzgrenzwerte für die gesamte Kette bekannt sind, sodass Sie Ihre erste Woche direkt mit Testfällen verbringen können.

Die Wahl des Verstärkers ist eine frühzeitige Entscheidung, die die Stabilität gewährleistet

Betrachten Sie den Verstärker, den Schnittstellenalgorithmus und den Testplan als ein einziges Konstruktionsproblem und lösen Sie dieses, bevor Sie hardware kaufen. Ein auf diese Weise ausgewähltes Testsystem führt die Schwachgitter- und Fehlerfälle aus, für die Sie es entwickelt haben. 

„Ein Prüfstand, der allein anhand der Kilowattleistung ausgewählt wurde, wird in den ersten Monaten auf Grenzwerte abgestimmt, die niemand schriftlich festgehalten hat.“

Die meisten instabilen PHIL-Schaltungen, von denen wir hören, wurden nicht durch schlechte Ausrüstung verursacht. Jemand hat den Verstärker auf die Nennleistung ausgelegt, die einfachste Schnittstelle gewählt und ist beim ersten schwierigen Fall an die Impedanzgrenze gestoßen. Die Lösung war ein Filter, der das gewünschte Verhalten unauffällig unterdrückte. Das ist ein Planungsfehler, der sich mit einem Nachmittag Impedanzberechnungen kostengünstig vermeiden lässt.

Die Labore, die aus PHIL Tests einen dauerhaften Nutzen ziehen, behalten diese Disziplin auch nach der Inbetriebnahme bei. Sie überprüfen die Stabilitätsreserven erneut, wenn sich das Modell ändert, und geben neben jedem Ergebnis den gültigen Frequenzbereich an. OPAL-RT arbeitet bei dieser Art der Planung eng mit den Teams zusammen, denn ein Ergebnis, das man gegenüber einem Energieversorger verteidigen kann, ist mehr wert als ein weiteres Kilowatt Verstärkerleistung.