仿真与验证工程师必读：功率硬件在环（PHIL）详解

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。

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。