基于……的混合式交流-直流微电网仿真功率硬件在环

核心要点

• 混合式交流-直流微电网的稳定性由互联变流器决定，而非由任一母线决定，因此该接口应具备其自身的验收标准和稳定性裕度。
• 信号级HIL可验证控制逻辑、时序和通信，而导致边界不稳定的损耗、饱和和阻抗相互作用，只有在实际功率跨越该边界时才会出现。
• 功率流控制方案是在响应速度与稳定性裕度之间进行权衡，因此应根据该站点可能遇到的最恶劣电网工况（而非额定工况）来对其进行调校。

混合型交流-直流微电网的稳定性裕度源于并网换流器，而信号级测试台永远无法告诉你该裕度究竟是多少。

当连接各母线的变流器在交流侧发生故障时仍保持直流母线电压时，问题便会出现，因为一旦电流越过边界，控制环路便不再独立。单独建模时，每个母线看起来都运行正常。 2024年，西部互联电网发生的四起扰动导致104个设施的逆变器发电量减少了3,210 MW，而这些损失源于换流器 的反应，而非故障本身。这种耦合现象在混合微电网内部也会出现，只不过规模较小。

功率硬件在环 将物理转换器置于该边界的一侧，而微电网的其余部分则保留在仿真 中。这样，您就能获得硬件在实际现场环境中会遇到的耦合情况，且在该硬件实际承载的功率水平下。在交流-直流接口处发生的大多数故障，对于仅交换低电平信号的测试台而言都是不可见的。

从实际应用角度看，什么是混合型交流-直流微电网

混合式交流-直流微电网将交流母线和直流母线作为一个受控系统运行，两者通过双向互连变流器连接，该变流器用于设定两者之间的功率传输量。旋转电机、公用电网并网点和传统负载位于交流侧。光伏串、电池和电子负载位于直流侧。

根据其原生联系表 对电源进行分流，可以省去转换环节。例如，一个将电力输送至750 V直流母线的屋顶光伏阵列（该母线同时连接电池和电解槽），可以省去纯交流设计所需的两次逆变，从而提升几个百分点的往返效率。但这种效率提升也带来了一个纯交流设计中从未出现过的控制问题。

交流频率和电压遵循下垂或电网成形设置，直流母线电压遵循另一套设置，而互连变流器是唯一同时受这两套设置影响的元件。如果由不同的团队分别设计这两个部分，最终得到的系统虽然能通过所有子系统测试，但在跨越边界的第一步负载变化时仍会发生振荡。

为什么互连转换器决定了整个系统的行为

互连变流器决定功率交换设定值、功率流向以及各母线承担的调节份额。它对一个母线而言表现为电流源，对另一个母线而言表现为电压源，因此其控制带宽即为两半部分之间的有效耦合刚度。

直流耦合的资产如今已成为常态，而非例外。在美国各州并网排队名单中，47%的拟建太阳能装机容量都配有电池储能系统，这意味着发电、储能及其共用的直流母线在进入交流端子之前，都先经过一个变流器。

仅对该转换器进行调谐，你选定的带宽在理想信号源下看起来似乎没问题。但若将其置于刚性交流电网与恒功率负载的直流母线之间换流器 ，相同的调谐会将直流电压环推入极限振荡。带宽的意义仅取决于接口两侧的实际情况。

当信号级HIL未延伸至电源接口时

信号级HIL通过与控制器交换经过缩放的电压和电流，从而验证控制逻辑、时序和通信。它无法再现电流流经真实磁性元件时发生的情况，因为回路中没有功率来激发那些塑造接口行为的损耗、饱和和阻抗相互作用。

即使某个控制器通过了所有信号电平的抗扰度测试，当直流母线电容器放电速度快于模型预测时，它仍会在通电试验台上跳闸。这些就是该模型忽略的影响。

• 将开关谐波耦合到直流母线电压测量中，并导致外环不稳定
• 半导体损耗和磁损导致交换功率偏离设定值
• 不平衡交流故障期间接口变压器中的饱和与浪涌
• 在负载条件下改变直流电压环路阻尼的阻抗耦合
• 热降额限制了转换器维持其故障电流贡献的时间长度

这些问题都不是那种通过检查就能发现的建模错误。它们的表现形式是：某台测试台在周二表现为一种状态，但在运行四小时后却表现为另一种状态。跳过功率级别测试阶段的团队会在调试阶段遇到这些问题，届时，一次控制变更将导致需要现场检查，而非简单地重新编译程序。

“它无法再现电流流经真实磁性材料时发生的情况，因为回路中没有功率来激发那些塑造界面行为的损耗、饱和和阻抗相互作用。”

“硬件在环”测试如何对接口进行测试

在“硬件在环”电力系统中，将物理互连变流器置于模拟交流电网与模拟直流母线之间，由四象限放大器以满电压和满电流驱动每侧的模拟电路。仿真器读取变流器的实际电流，并在微秒级时间内返回相应的母线电压。

在场地尚未建成之前，即可对一个200千瓦的园区接口进行验证。在仿真器中，交流馈线、柴油发电机组和公用事业断路器与直流母线及光伏阵列一同运行，而待测换流器则将它们视为已安装的设备。负载阶跃、不平衡故障和孤岛转换均可在满负荷条件下进行测试，且不会对现场设备造成任何风险。

接口算法也是测试的一部分。理想变压器耦合方法配置迅速，但也很容易导致系统失稳，因为放大器的延迟位于闭环内部，而稳定裕度取决于闭环两端的阻抗比。在同一轮测试中，若能在交流节点和直流节点上同时保持该裕度，就能区分出可用的测试平台与昂贵的振荡器。 正因如此，OPAL-RT OP1430 PHIL Prime 测试台将放大器输出在交流节点和直流节点上并行连接，从而在验证控制功能时，这两个边界都能承载电流。

影响接口稳定性的功率流控制选项

在互连变流器中，有三种控制方案占据主导地位。固定功率传输维持预设的功率交换；直流母线信号控制对电压偏差作出响应；而归一化下垂控制则通过将交流频率和直流电压映射到同一量表上，在两条母线之间共享调节功能。这三种控制方案各自在响应速度与稳定裕度之间进行了权衡。

大多数团队都倾向于采用归一化下垂控制，因为在没有通信链路的情况下，两条母线都能对扰动作出响应。这种取舍在弱交流条件下显现出来：当电网强度为满载时，能够干净利落地分担负荷的下垂增益，一旦短路比下降，就会产生持续的频率振荡。

应根据该站点可能遇到的最恶劣工况来选择设计方案，而不是依据额定工况。如果试验台仅在满额短路强度下运行，其设计的电压下垂增益在第一个阴天下午发电机组离线时就会失效。

仅在实际功率交换条件下才会出现的稳定性失稳现象

实际的功率交换会产生离线模型无法识别的故障模式。直流母线上的恒定功率负载会呈现负的增量阻抗，互连变流器的输出阻抗与之相互作用，导致该组合以一种单个子系统单独存在时不会出现的频率发生振荡。只有当电流实际流过时，才能观察到这种现象。

一个为点负载换流器 供电的400 V直流母线是常见的应用场景。每个下游转换器都会严格调节其输出，因此当母线电压下陷时，它会汲取更多电流，从而导致母线电压进一步下陷。如果在互连转换器上添加一个慢速外电压环路，直流部分就会产生一种低频振荡，其频率恰好位于交流下垂响应的频率范围内。

亚同步交互也属于同一类问题。弱电网条件会将锁相环和电流控制器推入一个相互强化的区域，而振荡则通过接口传入直流母线。由于揭示这些问题的测试需要信号级测试台所不具备的功率，因此这两者都被忽略了。

“这两者都会被漏检，因为检测它们所需的测试需要信号电平测试台所不具备的功率。”

长期坚持有条不紊的界面测试能为您的团队带来哪些收益

混合式交流-直流微电网的故障并非发生在电源端或负载端，而是发生在母线之间的交界处——即转换器内部，该转换器需同时满足两套调节规则。在项目投运前，通过功率测试验证该交界处的稳定性，这决定了项目是能顺利启动，还是在第一年里就忙于应对振荡问题。

每花一小时对互连变流器进行实际阻抗条件下的验证，就能节省数天的现场调试时间。真正掌握这一要领的团队会将该接口视为一个独立的子系统，并为其制定专门的验收标准。在变流器出厂前，他们会在满负荷条件下运行弱电网工况、恒功率负载工况以及故障穿越工况。

这就是功率级测试台存在的意义，也是OPAL-RT在构建PHIL系统时，为何要确保交流和直流节点能在同一轮测试中通电，而非分开发起的原因。混合微电网的行为特性体现在其母线之间的交互中。只要在测试台上将这种交互调试到位，其余的设计部分就可以采用常规方案。