泽创PHIL测试核心技术精讲白皮书

泽创PHIL测试核心技术精讲白皮书 泽创PHIL 目 录CONTENTS 企业介绍0101 企业简介 / 合作客户 02浅谈功率硬件在环的应用与实现(一)02 建设背景 03浅谈功率硬件在环的应用与实现(二)07 PHIL平台的实现 04PHIL系统的“延时”从何而来？14 PHIL 系统的延时，关乎其稳定与精度。 阻抗匹配是PHIL系统稳定与精准的关键挑战 06PHIL测试问答精选23 PHIL 虚实结合，高效测试极限工安全测试 企业介绍01企业介绍01企业简介 武汉泽创信息技术有限公司是一家深耕电力、新能源及现代交通电气化领域的高新技术企业，专注于为客户提供一站式仿真、模拟与测试技术咨询服务及定制化整体解决方案。依托创新的PHIL﹙Power Hardware-in-the-Loop﹚技术平台，致力于构建高精度、高可靠性的系统级测试环境，助力客户实现从研发到落地的全流程优化，加速能源与交通领域的智能化转型。 合作客户 泽创PHIL测试核心技术精讲白皮书 02浅谈功率硬件在环的应用与实现(一) 建设背景 1.1电力系统测试面临的挑战 电力系统仿真是研究电网动态行为，确保电网安全稳定，优化电网经济运行的重要手段。对于传统的电力系统，目前已有很多成熟的数字模型和仿真经验，并且大规模电网也难以用物理设备进行仿真，而数字仿真具有建模速度快，灵活性好和成本低等优点，是一种较为理想的仿真方式。然而，随着大电网跨区域互联、超/特高压交直流混合输电、新能源发电、微电网等多种发输配用电形式不断涌现，以及各种电力电子设备、新型控制保护装置等的广泛应用，现代电力系统中各环节特性及其相互作用机理都发生了深刻变化。电力系统“源—网—荷”各部分电力电子化程度越来越高，使现代电力系统逐步向高比例新能源发电和高比例电力电子设备（简称“双高”）趋势发展；高比例新能源发电导致系统惯量大幅降低和抗扰能力严重下降，高比例电力电子装备与电网之间相互作用引发复杂宽频带振荡，大规模跨区域电网存在更加严重的连锁故障风险等，都使现代电力系统面临着新的更复杂的安全稳定问题。 1.2常用的三种测试方法 离线数字仿真测试 准确认识和把握复杂电力系统的机理与特性，对大电网安全稳定与经济运行意义重大。目前，主要采用数字仿真和物理模拟方式进行仿真研究，数字仿真又分为离线仿真和实时仿真两种，常用的离线仿真软件包含MATLAB、PSCAD、PSIM等，其中以MATLAB使用居多，数字仿真方法基于数值计算技术，建立数学模型并进行求解，能够对大规模电网进行仿真，具有建模周期短、灵活性高、经济性好等优点，然而其仿真精度和有效性受机理认知、模型精度、仿真步长等影响很大，宽频带特性的仿真较难，难以应对高频电力电子设备的仿真。 实时数字仿真测试 进入20世纪90年代以来，随着数字计算机的大量开发和并行运算技术的目益发展，实时数字仿真技术得到了广泛的关注与应用。全数字实时仿真系统中所有元件都采用数字仿真模型，由于其具有不受到原有系统规模的大小以及模型的复杂程度的限制，并且具有计算速度快、周期短、使用灵活、扩展方便等优点，系统含有良好的经济性与便利性，对硬件要求较低，但数字实时仿真对于新型设备和控制策略的仿真与测试往往不如人意，达不到预期的效果。 物理模拟测试 其原理是采用真实系统的物理属性几何相似物或类比物建立实际的物理模型系统，试验现象直观显示真实系统的实际状况，物理意义直观明了，可准确模拟动态过程、全频段特性等；但其规模大小受到场地的限制，建模周期长、投资成本高、参数调整难，并且每一次不同种类的试验都需要重新布置场地与实验器材，并进行联结组合，费时费力，并且，试验可扩展性和经济性较差，受到越来越多的限制。 1.3三种测试方式优劣势对比 泽创PHIL测试核心技术精讲白皮书 综上，对于当前复杂大电网中新问题新现象的仿真研究，单一的数字仿真或物理仿真已无法满足更高的仿真需求。随着新能源技术以及新设备的日新月异，功率硬件在环仿真测试技术越来越广泛地应用于电力电子和电力系统多种领域，是研究及测试由电力电子器件构成的复杂电力系统网络的有效手段。利用功率硬件在环仿真测试技术可充分测试物理装置的性能，研究系统的动态交互特性，对研究新能源技术以及新型设备具有重要意义。 1.4功率硬件在环测试 功率硬件在环测试技术作为一种分析系统综合特性和研究系统运动规律的重要手段，受到了越来越多的关注与应用。不同于单纯的实时数字仿真和物理模拟仿真，功率硬件在环测试将一部分电路采用实时数字仿真模拟，另一部分电路采用物理模拟仿真进行模拟，在模拟新型设备的特性以及复杂网络非正常运行环境下的测试如短路、断路以及继电保护实验等都具有一定的优势。如对含有如风能、太阳能等可再生能源发电的微电网接入大电网系统仿真测试中，可将电网在数字仿真机中采用实时数字仿真，对于含可再生能源等难以准确数学建模的微网环节可采用物理模拟仿真，采取实物物理装置接入，极大的方便了实际测试及科学研究的过程，克服了实时数字仿真以及物理模拟仿真各自的缺陷，实现双方优势互补，在各种新型设备接入复杂电网仿真及测试中具有较大的使用价值。 功率硬件在环仿真测试（PowerHardwareintheloop,PHIL）结合了实时数字仿真和物理模拟仿真各自的优点，通过实时仿真器，功率放大器以及待测设备的结合，对仿真系统 泽创PHIL测试核心技术精讲白皮书 中待研究的新设备新技术、具有较宽频带特性的组件或主导暂态响应过程的设备等需要重点关注的一部分网络采用物理模型，而对数学模型完善、仿真规模较大的剩余部分网络则采用数字仿真。实现了信号级实时仿真向功率级的扩展，拓宽了电力系统仿真技术的应用范围，具有更强的仿真能力和更高的灵活性，能够更好地满足现代电力系统的仿真需要。它可以用于： 新能源设备检测:光伏设备、风电设备、储能设备等入网测试；电机系统测试：电机性能与故障测试；电网测试:配电网、微电网、牵引网、船电、飞机电源等故障再现测试；电力电子装备测试：SVG、MMC、APF等测试； 功率硬件在环测试在国内研究与测试中，又称为功率硬件在环测试或数模混合实时仿真等。国内开展功率硬件在环测试的研究相对晚一些，清华大学韩英铎院士于2000年首次采用混合高压直流（HighVoltageDirectCurrent，HVDC）实时仿真器测试了HVDC控制和保护系统的性能，其中HVDC换流器采用物理模拟装置，直流和交流系统采用RTDS实时仿真。随着我国特高压交直流电网的规划和发展，中国电力科学研究院首次建立了大规模数模混合实时仿真系统，由于包含了高压直流输电的模拟系统，因此功率硬件在环测试成为一种十分有效的仿真手段。功率硬件在环测试因结合了数字仿真和物理模拟的优点，而成为仿真发展的新方向。 参考文献： [1]曾杰，冷凤，陈晓科等.现代电力系统大功率数模混合实时仿真实现[J].电力系统自动化.2017,41(08)：166-171+178[2]杜燕，樊振东，杨向真等.功率硬件在环仿真系统的建模与稳定性分析[J].太阳能学报.2021,42(03):290-298[3]蔡玲珑,马志钦,周原,等.功率接口算法的改进及应用[J].广东电力,2018,31(10):29-35.[4]赵鑫，陈国初.功率硬件在环接口算法研究[J].新一代信息技术，2019，2(13):61-65[5]李俊林，毛承雄，王丹，等．电力系统数字物理混合仿真相位校正方案[J]．水电能源科学，2017，35(3)：190-194.[6]冷凤.大功率数模混合仿真接口系统研究及应用[D].华中科技大学，2021.[7]蔡玲珑．数模混合实时仿真系统应用及直流分量消除[D]．华中科技大学，2016.[8]孙麒.功率硬件在环仿真系统接口算法研究[D].合肥工业大学,2019 03浅谈功率硬件在环的应用与实现(二) PHIL平台的实现 1.1PHIL平台构成 功率硬件在环测试系统的组成结构较为复杂，其主要由虚拟仿真系统、功率放大器接口模块以及物理被试系统3个部分组成，如下图所示为PHIL系统的结构原理图： 在PHIL仿真系统运行过程中，一方面物理侧实物装置的输出状态量经过传感器采样测量后，通过I/O端口板卡反馈给数字侧的实时数字仿真机中；另一方面实时数字仿真机接收到物理侧的测量采样信号之后，实时解算得到下一步数字侧的数字信号状态量，接着通过I/O端口转换发送给功率放大器输出至物理侧电路，使物理侧状态量得到下一步长的更新，从而形成一个完整的闭合环路。由于接口子系统可以将信号级的模拟量与功率级的模拟量进行转换，这样可以完成对包含硬件电路（功率部分）和控制器部分的实物逆变器进行全面的测试。 泽创PHIL测试核心技术精讲白皮书 对于上述PHIL仿真系统而言，功率放大环节是实现实时数字仿真与物理实物装置相连接的关键点，针对不同类型的反馈信号和交互方式以及实验环境需求产生了众多接口算法。对于实现PHIL仿真系统可靠、安全运行，接口算法在其中起着至关重要的地位，同时对接口模块的信号传输延时以及系统精度、PHIL系统的稳定性都起着不可消除的影响。 1.2PHIL接口算法 接口系统的稳定性分析和准确性评估是研究和实施数模混合仿真方法的两个核心问题。稳定性分析是保证数模混合仿真系统稳定运行的前提和基础，与一个完整仿真系统的稳定性不同，混合仿真系统由于将原系统分解成数字仿真和物理模拟两个部分，二者之间引入了接口系统的延时、带宽、噪声、动态特性等，而成为条件稳定系统。实际接口系统中的非理想因素，如固有延时、采样保持、测量和主电路中的滤波器等，均有可能导致功率接口输出的幅值误差和相移，从而导致不稳定的闭环极点。 接口算法作用于数字仿真机中，代表着数字仿真系统侧到物理模拟系统侧的映射。其首要作用就是关联数字仿真系统侧和物理模拟系统侧两端系统，从而构成整个PHIL系统，同时，也可用于补偿硬件装置(功放和采样装置)引入的延时及信号带宽等因素对仿真系统的影响。不同的接口算法代表着不同的等效方式，体现出不同的PHIL系统特性。因此，接口算法是研究PHIL系统的关键技术。数字侧电路模型影响着系统仿真步长。通常，复杂的数字电路模型意味着复杂的运算过程和更大的运算内存，同时只能匹配更长的仿真步长。 目前已有5种典型的接口算法，分别为：理想变压器模型法(idealtransfomermodel，ITM)、时变一阶近似法(time-variantfirstorderapproxiIIlation，TFA)、部分电路复制算法(partialcircuitduplication，PCD)、传输线模型法(transmission1inemodel，TLM)、阻尼阻抗法(dampingimpedancemethod，DIM)，其原理和优缺点比较如下表所示。 5种典型接口算法对比表 在这些接口算法中，有的缺乏通用性或灵活性（如TLM、TFA），有的物理侧功率损耗难以接受（如TLM、PCD），有的稳定性和准确性折衷较差（如PCD），而ITM接口算法结构简单且易于实施；DIM接口算法在满足阻抗匹配条件下拥有很好的仿真效果。因此在目前可用的接口算法中，ITM和DIM是较好的应用选择。针对这两种常用接口算法作简单介绍： 功率硬件在环平台构成图如下，图中VES指实时仿真系统中建立的虚拟电力系统，HUT实际物理被试系统。接口模块连接着VES和HUT，由功率硬件和接口算法两部分组成。功率硬件包括功率放大器、互感器等物理装置。功率放大器实现信号流向功率流的转换。互感器用于采集HUT侧电压或电流。测试过程中，VES侧电压/电流信号经数模转换，由仿真机输出给功率放大器，功率放大器将信号流放大为功率流，激励与之相接的HUT。与此同时，电流/电压传感器采集HUT侧电压/电流信号，经低通滤波处理后将模拟信号输入至实时仿真机，实时仿真机对模拟信号进行模数转换，通过相应的接口算法作用在VES侧。 电压源