一套合適的PHIL（Power Hardware In the Loop, 功率硬件在環(huán)）仿真平臺(tái)有助于提升和補(bǔ)充電力電子和電力系統(tǒng)應(yīng)用研究和測(cè)試的范圍和場(chǎng)景。那么，如何為特定的PHIL應(yīng)用選擇合適的功率放大器呢？在本冊(cè)白皮書中，OPAL-RT的PHIL專家將為您介紹一些PHIL功率放大器的選型關(guān)鍵點(diǎn)。

目 錄?

引言：PHIL概覽

關(guān)鍵點(diǎn)一：功率放大器工作參數(shù)及范圍（電壓、電流、功率）

關(guān)鍵點(diǎn)二：經(jīng)濟(jì)適用性（經(jīng)驗(yàn)法則）

關(guān)鍵點(diǎn)三：功率提供 & 吸收能力（四象限）功率吸收模式的選擇

關(guān)鍵點(diǎn)四：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇PHIL帶寬

? ? ? ? 電機(jī)模擬器

? ? ? ? 電網(wǎng)模擬器

? ? ? ? PHIL穩(wěn)定性和精確性

關(guān)鍵點(diǎn)五：選擇正確的儀器和控制

? ? ? ??選擇合適的儀器

? ? ? ? 信號(hào)測(cè)量和濾波

引言：PHIL概覽

多年來，OPAL-RT一直走在電力電子應(yīng)用的技術(shù)前沿，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)發(fā)展、配電輸電系統(tǒng)、汽車、航空航天等多個(gè)行業(yè)。以應(yīng)用為導(dǎo)向的研發(fā)是近年來最前沿的創(chuàng)新趨勢(shì)，包括系統(tǒng)模塊化、分析、建模、實(shí)時(shí)仿真、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)評(píng)估。

OPAL-RT的硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop，HIL）解決方案，通過信號(hào)級(jí)的I/O接口將實(shí)時(shí)仿真器與被測(cè)設(shè)備（Device Under Test，DUT）連接起來，仿真器上實(shí)時(shí)運(yùn)行的精確物理仿真模型能夠替代真實(shí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的閉環(huán)測(cè)試，無需在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試。HIL仿真在高效率、低成本和安全性方面表現(xiàn)突出，已成為全球多數(shù)領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

功率硬件在環(huán)（PHIL）仿真是HIL（信號(hào)級(jí)）的擴(kuò)展，在HIL的基礎(chǔ)上加入適合的功率放大設(shè)備和接口算法，不僅能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器和真實(shí)被測(cè)設(shè)備之間的信號(hào)級(jí)交互，還能夠完成設(shè)備之間的功率級(jí)交互。PHIL仿真需要閉環(huán)，以確保實(shí)現(xiàn)虛擬世界和真實(shí)物理世界之間的準(zhǔn)確交互。因此，功率放大器的選型需著重考慮其閉環(huán)性能以及提供/吸收功率的能力。

PHIL仿真測(cè)試具備高保真度、高靈活性特點(diǎn)，能夠滿足嚴(yán)苛的功率應(yīng)用需求；測(cè)試覆蓋范圍廣泛，能夠幫助工程師們測(cè)試各種類型的電力設(shè)備（包括功率換流器、發(fā)電機(jī)和馬達(dá)等）；安全性高，能夠以相對(duì)更安全的方式執(zhí)行真實(shí)物理環(huán)境中無法實(shí)現(xiàn)或者風(fēng)險(xiǎn)很高的測(cè)試。

關(guān)鍵點(diǎn)一：功率放大器工作范圍

（電壓、電流、功率）

在設(shè)計(jì)搭建PHIL測(cè)試臺(tái)時(shí)，首先需要對(duì)交互的設(shè)備進(jìn)行工作功率范圍的評(píng)估。一個(gè)常見的錯(cuò)誤是：只考慮功放提供功率的能力，而忽略了其吸收功率的能力和帶寬。PHIL測(cè)試臺(tái)必須根據(jù)測(cè)試需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，否則在暫態(tài)測(cè)試過程中，實(shí)際測(cè)試需求可能會(huì)超出設(shè)備標(biāo)稱數(shù)值，從而導(dǎo)致過流、過壓或瞬時(shí)過載。

基于此，在選擇功率放大器時(shí)需要考慮以下幾個(gè)方面:

01?標(biāo)稱/穩(wěn)態(tài)參數(shù)：

??相數(shù)；

? 標(biāo)稱頻率下的標(biāo)稱功率（交流為kVA，直流為kW）;?

? 功率提供和功率吸收模式下每象限的功率因數(shù)（如需使用四象限操作）；?

? 額定交流和直流電壓；?

? 額定工作頻率；?

? 頻率帶寬；?

? 通過電壓和頻率判斷需要的額定功率和電流。

02?暫態(tài)和瞬時(shí)工作特性：

除了上述特性之外，一些功放廠商還規(guī)定（或提供）了過壓和過流保護(hù)的可配置范圍。在設(shè)計(jì)PHIL測(cè)試臺(tái)的過程中，建議用戶將這一點(diǎn)也考慮進(jìn)去。多數(shù)功放廠商會(huì)提供功率放大器的動(dòng)態(tài)特性圖，下圖是OPAL-RT的OP8110功率放大器頻率響應(yīng)增益。

許多功率放大器能夠在短時(shí)間內(nèi)將電流和功率極限保持在高于其市場(chǎng)宣傳數(shù)值之上的水準(zhǔn)。對(duì)于某些必須滿足極限工況的特殊應(yīng)用，功放廠商可能會(huì)提供額外的信息。

在某些應(yīng)用中，需要使用升壓變壓器來滿足被測(cè)設(shè)備（DUT）的標(biāo)稱或最大額定電壓，用戶應(yīng)根據(jù)功率放大器的過載能力來選擇變壓器的額定功率和能力，并留出10% 到 20% 的裕量。請(qǐng)注意：添加變壓器會(huì)改變PHIL測(cè)試臺(tái)接口的頻率響應(yīng)，因此需要特別注意直流響應(yīng)仿真。

此外，根據(jù)飽和特性和工作條件的不同，變壓器可能容易飽和。由直流電壓或故障清除等暫態(tài)條件引起的變壓器高度飽和可能會(huì)被功放視為準(zhǔn)短路，從而導(dǎo)致功放跳閘。因此，在設(shè)計(jì)PHIL測(cè)試臺(tái)配置之前，應(yīng)詳盡地理解應(yīng)用的需求。部分變壓器產(chǎn)品可適用于更大范圍的線性操作，但同時(shí)需要更大尺寸的磁芯，變壓器的成本和重量將會(huì)隨之增加。

因此，PHIL測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)通常需要對(duì)成本和操作條件進(jìn)行綜合衡量，選取合適的方案。

關(guān)鍵點(diǎn)二：經(jīng)濟(jì)適用性

（經(jīng)驗(yàn)法則）

功率放大器選型的第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是價(jià)格與預(yù)算之間的平衡。功放的額定功率、電壓范圍和頻率帶寬都會(huì)極大地影響其價(jià)格，因此在選型過程中應(yīng)考慮到這些因素。

如圖5所示，按照額定功率分類，功率放大器成本粗略估算為：四象限低帶寬功放價(jià)位區(qū)間為1k美金/kW~2k美金/kW，高頻線性四象限功放價(jià)格可能會(huì)超過12k美金/kW。這僅是從額定功率角度對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格的粗略估計(jì)，其他因素也會(huì)對(duì)價(jià)格區(qū)間產(chǎn)生影響，例如：功放的帶寬、功率提供和功率吸收功能以及PHIL系統(tǒng)中最終選用的儀器和控制類型。

選擇合適工作功率范圍的功率放大器并不容易，很大程度上取決于預(yù)期目標(biāo)，以及最終系統(tǒng)中諸多變量間的相互作用。此外，并非所有功放的內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)反饋速度都足以實(shí)現(xiàn)PHIL 閉環(huán)。在這種情況下，功放的整體成本中需要考慮增加用于高壓和大電流測(cè)量的外部傳感器的費(fèi)用。

對(duì)于某些應(yīng)用，除了功率放大器和試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)的其他設(shè)備外，還應(yīng)考慮額外的成本和設(shè)計(jì)問題，包括：適合功率放大器和變壓器（如需）的主電源和實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施。部分功放所規(guī)定的的輔助直流電源，需要進(jìn)行測(cè)試選擇。同時(shí)，應(yīng)關(guān)注設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽和主要接口器類型。部分功放廠商可能需要定制的電源輸入接口。

粗略考量 - 基于功放的額定功率

功放的額定功率會(huì)極大影響其價(jià)格，因此額定功率必須作為功放選型的重要考量因素。下表列出了三種額定功率區(qū)間的價(jià)格差異，但此表僅是從額定功率范圍的角度對(duì)當(dāng)前功放的市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行粗略估計(jì)，其他因素也會(huì)對(duì)功放價(jià)格產(chǎn)生影響，例如：功放的帶寬、功率提供和功率吸收功能以及PHIL系統(tǒng)中最終選用的儀器和控制類型。

在下一章節(jié)中，我們將對(duì)如何選型進(jìn)行詳細(xì)介紹。該圖表僅是以功放的額定功率為基礎(chǔ)，對(duì)市場(chǎng)價(jià)格做出初步預(yù)估，而根據(jù)本白皮書中介紹的其余4個(gè)選型標(biāo)準(zhǔn)，功放的市場(chǎng)價(jià)格將會(huì)有很大差異。

選擇合適的功放工作范圍并非易事，預(yù)期目標(biāo)和最終系統(tǒng)中涉及的諸多變量都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。在第三章節(jié)中，我們將幫助大家分析選型的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)——“功率提供和功率吸收”。

關(guān)鍵點(diǎn)三：功率提供&吸收能力

（四象限功放）

功率提供和吸收能力是我們選配功放時(shí)需要著重考慮的第三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，市場(chǎng)上具備功率吸收功能的功放價(jià)格可能是標(biāo)準(zhǔn)的“源”模式功放的兩倍。而根據(jù)功放應(yīng)用場(chǎng)景的不同，仿真器通常需要向負(fù)載提供功率（通常稱為“源”，英文sourcing，即功率提供）或從發(fā)電機(jī)中吸入功率（通常稱為“吸收”，英文sinking）。

例如，功放應(yīng)用于電機(jī)控制中，電機(jī)制動(dòng)所產(chǎn)生的功率可以被回收利用，為電池充電。此外，微電網(wǎng)所產(chǎn)生的多余功率可以“反哺”給主電網(wǎng)，而主電網(wǎng)亦可將電力推送回微電網(wǎng)。因此，若需功率在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行雙向流動(dòng)，則需要一個(gè)兼具功率提供和功率吸收兩個(gè)功能的功率放大器。

具有這種雙向功能的功放可以在四象限功率示意圖的所有象限中工作，因此通常被稱為四象限（Four Quadrant, 4Q）功率放大器。如圖6所示，在各象限工作模式中（其中“測(cè)量的電流”是指功放流出的電流），如功放流出的電流與電壓的極性相反，則功放此時(shí)被當(dāng)作負(fù)載使用；如電流和電壓極性相同，則功放被當(dāng)作電源使用。值得注意的一點(diǎn)是，四象限（4Q）功率放大器需要為純無功（電感或電容）負(fù)載提供補(bǔ)償，以保證每個(gè)象限的額定功率相等，但負(fù)載功率因數(shù)將影響每個(gè)象限的額定功率。

根據(jù)功率提供和吸收功能的不同能力，功率放大器可以分為兩類：線性功率放大器和開關(guān)型功率放大器。

線性功率放大器

當(dāng)線性功率放大器在半導(dǎo)體元件的線性區(qū)域工作時(shí)，線性功放通常在10kHz以上具有良好的頻率響應(yīng)，但缺點(diǎn)是功放的效率較低。此外，線性功放的功率吸收通常為額定功率的30%左右；部分供應(yīng)商也會(huì)提供特殊選配，通過增加電阻負(fù)載以實(shí)現(xiàn)100%的功率吸收。

開關(guān)型功率放大器

當(dāng)開關(guān)功率放大器的開關(guān)元器件工作在AC-DC換流器飽和區(qū)域，就其本質(zhì)而言，開關(guān)型功放效率更高(>90%)，更加利于功率吸收，其額定功率通常高于線性功率放大器。但開關(guān)型功放的缺點(diǎn)是通常帶寬較低，其帶寬主要取決于PWM頻率和濾波。目前，市場(chǎng)上部分新型開關(guān)型功放主要采用了高開關(guān)頻率的電力電子開關(guān)元件（如較新的SiC 和 GaN 晶體管），使得開關(guān)型功放可達(dá)到5kHz或更高的帶寬。

選擇功率吸收模式

并非所有功率放大器都基于同樣的設(shè)計(jì)，部分功放在設(shè)計(jì)時(shí)功率提供和功率吸收能力是不對(duì)稱的。因此，根據(jù)工作象限的不同，其安全工作區(qū)域也會(huì)大相徑庭，尤其是在處理功率過載時(shí)。有些功率放大器（主要是線性放大器），其消耗額外功率的方式是轉(zhuǎn)換為熱能；其他功放則可以將額外功率轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)。這種高階的“再生式”功率放大器功率損耗更少、效率更高。

因此，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景來確定功率放大器的功率提供和吸收能力，下一步則是為功率放大器選擇合適的帶寬。

（未完待續(xù)）