
核心要点
- 请根据测试计划中的故障、浪涌和反向功率工况来确定PHIL放大器的额定功率,因为额定功率并不能充分说明该设备在测试台上能承受多大的功率。
- 放大器的延迟和带宽决定了结果可信的频率范围,因此请在每次测量结果旁注明该范围。
- 在开始通电之前,先在纸上计算出最弱网格情况下的阻抗比,并选定接口算法。
一个功率硬件在环测试台的可靠性,完全取决于构成其闭环的放大器和接口。
PHIL测试是将实际的逆变器、电池系统或保护装置连接到模拟电网,并施加真实的电压和电流。功率放大器位于二者之间,因此其额定值、带宽和延迟会影响您记录的每一项结果。如果仅根据功率额定值来选择功率放大器,您得到的测试台可能会在遇到第一个电网信号微弱的情况时就跳闸,或者报告出该设备从未表现出的行为。
截至2025年底,美国待并网的储能项目总装机容量达749吉瓦,这些项目需通过电力电子设备实现并网,在现场通电前,必须验证这些设备能否抵御故障、应对电网脆弱性以及防止孤岛运行。放大器的选型和环路稳定性是需要做出的一个决策。请在发出采购订单前完成这一决策。
“硬件在环”测试对能源实验室的意义
功率硬件在环测试通过功率放大器将物理功率器件连接到实时仿真 ,因此真实的能量会流经该边界。仿真器计算电网状态,放大器在器件端子处重现电网电压,而传感器则在每个时间步长将测得的电流反馈给模型。
试想一下,你的实验台上放着一台5 kW的电池逆变器。仿真器运行着一个馈线模型,其中发生了一处距离该逆变器三个母线节点的故障;随着故障的发展,放大器降低端子电压,而逆变器则以实际电流作出响应。该电流反馈回模型,从而在下一步中改变馈线电压。
该设备与模拟电网相互影响,因此你会观察到诸如长输电线上的电压振荡等相互作用现象。这也意味着该实验台是一个反馈回路,而反馈回路可能会失稳。
PHIL 与控制器级 HIL 测试有何不同
PHIL 与 HIL 之间的主要区别在于接口上传输的内容。控制器 HIL 在控制器与模拟被控对象之间交换低电压信号,因此不会传输有意义的功率。功率 HIL 则以额定水平与功率级本身交换电压和电流,这会引入放大器、传感器以及信号电平测试中从未遇到过的稳定性问题。
一个电网耦合逆变器项目会明确各部分的归属。您应首先在控制器HIL上验证控制固件,通过针对模拟变流器的故障测试来验证,这样不会对硬件造成任何风险。接下来是PHIL阶段,此时已组装好的功率级、其滤波器及其热限制条件均已在试验台上就绪。如果跳过第一阶段,PHIL阶段就会变成成本高昂的调试工作;如果跳过第二阶段,则滤波器谐振、传感器误差和限流功能将无法在现场部署前得到测试。
决定测试台测试能力的放大器额定值
放大器的选型应从测试计划中的最坏情况入手。放大器必须能够承受最高电压、提供最大的瞬态电流,并能以足够的裕度吸收器件产生的最大反向功率。
四象限运行是能源系统工作的第一道过滤器。储能逆变器进行充放电,而在电压穿越测试中,太阳能逆变器会向两个方向推送无功电流。双象限电源无法吸收这种功率,因此恰恰在测试进入关键阶段时,它就会跳闸或产生失真。再生设计将吸收的能量回馈至实验室电源,从而在长时间循环运行期间有效降低发热量。
在比较数据表之前,请先从您的测试计划中记下这5个数字。
- 过电压和抗过电压工况下的峰值端电压
- 故障期间和浪涌时的峰值电流及其持续时间
- 该设备向测试台回馈的最大功率
- 您需要再现的最高频率(包括谐波)
- 您计划使用的最小和最大电网阻抗为仿真
一台 5 kW 的逆变器很少需要 5 kW 的放大器。当出现故障导致额定电流在几个周期内翻倍,或者出现额定值 120% 的过电压情况时,放大器的选型标准远早于铭牌额定值所决定的标准。
为什么放大器的带宽决定了环路精度的上限
带宽和延迟决定了放大器能多忠实地再现模拟栅极信号,以及环路能保持多少相位裕度。模拟电压与该电压在端子上出现之间每隔一个微秒,都会产生相位滞后,且该相位滞后会随频率增加而增大。
“额定功率告诉你能测试什么,而延迟则告诉你该相信它到什么程度。”
以度为单位的相位滞后等于360乘以频率再乘以环路延迟。一个总延迟为100微秒的环路,在60 Hz时相位滞后约2.2度,在1 kHz时相位滞后约36度。基波看起来没问题,但谐波以及1 kHz附近的任何滤波器共振则不然,而这正是逆变器电流控制器最敏感的地方。
线性放大器具有最宽的带宽和最短的延迟,但代价是效率较低且发热量较大。开关模式放大器可扩展至更高功率,且再生性能良好,但其输出滤波器会限制带宽。若进行谐波分析,线性放大器更具优势;而若进行长期存储循环测试,则更适合开关模式放大器。您需要权衡哪种缺陷是可以接受的。
接口算法如何保持闭环PHIL系统的稳定性

接口算法是将模拟量映射到放大器控制指令,并将测量结果反馈至模型的规则,它决定了回路是否收敛。理想变压器法是最简单且最精确的方法,但只有当硬件阻抗大于模拟源阻抗时,该方法才能保持稳定。
假设一个电压型理想变压器接口,其模拟电网阻抗为0.5欧姆,连接的器件阻抗为2欧姆。变比为0.25,环路达到稳定状态。 现在,针对同一台设备,建模一个3欧姆的弱栅极。变比为1.5,环路中的每次循环都会放大误差,最终导致放大器因过流而跳闸。弱栅极研究正是电网运营商所要求的,因此这一极限很快就会出现。
| 接口方法 | 这对您的替补阵容意味着什么 |
| 理想变压器法 | 可获得最精确的结果,但一旦模拟栅极阻抗超过器件阻抗,系统就会变得不稳定。 |
| 反馈电流滤波器 | 添加一个低通滤波器,该滤波器可扩大稳定范围,并隐藏设备在截止频率以上的工作状态。 |
| 部分电路重复 | 在模型和实验台上重复设置一个耦合阻抗,以额外的损耗换取更平稳的环路。 |
| 阻尼阻抗法 | 当其阻尼值与设备阻抗保持同步时,可在宽范围内保持稳定。 |
| 延迟补偿 | 预测并消除模型内部的环路延迟,无需修改硬件即可恢复相位裕度。 |
每种方案都是以一定的精度或工作量为代价来换取稳定性。研究人员在部分电路复制接口中添加了一个史密斯预测器,将增益裕度从大约1提高到3,这足以使环路脱离不稳定临界点。
在给任何元件通电之前,请先在纸上进行稳定性检查。如果最弱网格情况下的阻抗比接近或大于1,请先更改接口方法,并将任何滤波器截止频率视为精度预算。
PHIL测试台在电网能源领域的应用示例
有用的 PHIL 测试台案例都有一个共同点,即放大器、仿真器、传感器和保护装置都是作为一套整体选定的。微电网控制器验证、储能逆变器持续运行测试以及孤岛检测均在同一测试循环中进行,只需更换模型和被测设备即可。
一个微电网测试台很好地说明了这一点。其中一个功率放大器单元模拟公用事业馈线,另一个在直流侧模拟太阳能电池阵列,一个实体储能逆变器位于两者之间,而仿真器则负责运行网络的其余部分。 在OPAL-RT,我们围绕一款5 kW的四象限功率放大器构建了OP1400测试平台(可扩展至30 kW),而OP1420则基于相同理念,整合了完整的微电网PHIL测试平台。集成式测试平台意味着整个链路的环路延迟和保护限值均已明确,因此您可以在第一周就直接投入测试用例的验证。
放大器的选择是一项在早期阶段就需做出的稳定性决策
将放大器、接口算法和测试计划视为一个整体的设计问题,并在购买硬件之前将其解决。按照这种方式选定的测试台,能够运行你专门为之构建的弱栅极和故障测试用例。
“仅凭千瓦数选定的测试台,在最初的几个月里,只能围绕着那些无人明文规定的限值进行调试。”
我们所听说的那些最不稳定的PHIL环路,其原因通常并非设备本身有问题。有人根据额定功率选型了功放,选择了最简单的接口,结果在遇到第一个严苛工况时就触发了阻抗限制。解决办法是一个滤波器,它悄无声息地消除了他们原本希望看到的行为。这是规划上的疏漏,只需花一个下午的时间进行阻抗计算,就能以很低的成本避免这种情况。
那些从PHIL测试中获得持久价值的实验室,在调试完成后仍会坚持这一规范。当模型发生变化时,它们会重新检查稳定性裕度,并在每个结果旁注明有效的频率范围。OPAL-RT会与各团队合作开展此类试验台规划工作,因为一个能向公用事业公司说明清楚的结果,其价值远胜于多出的一千瓦放大器功率。

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