【干货】功率硬件在环（PHIL）测试台选型白皮书 | 连载（一）

一套合适的PHIL（Power Hardware In the Loop, 功率硬件在环）仿真平台有助于提升和补充电力电子和电力系统应用研究和测试的范围和场景。那么，如何为特定的PHIL应用选择合适的功率放大器呢？在本册白皮书中，OPAL-RT的PHIL专家将为您介绍一些PHIL功率放大器的选型关键点。

目 录 

引言：PHIL概览

关键点一：功率放大器工作参数及范围（电压、电流、功率）

关键点二：经济适用性（经验法则）

关键点三：功率提供 & 吸收能力（四象限）功率吸收模式的选择

关键点四：根据实际应用选择PHIL带宽

        电机模拟器

        电网模拟器

        PHIL稳定性和精确性

关键点五：选择正确的仪器和控制

        选择合适的仪器

        信号测量和滤波

缩小选型范围

作者

缩小选型范围

参考文献和延伸阅读

PHIL配置选型关键点一览表

引言：PHIL概览

多年来，OPAL-RT一直走在电力电子应用的技术前沿，产品广泛应用于工业发展、配电输电系统、汽车、航空航天等多个行业。以应用为导向的研发是近年来最前沿的创新趋势，包括系统模块化、分析、建模、实时仿真、设计和实验评估。

OPAL-RT的硬件在环（Hardware-in-the-Loop，HIL）解决方案，通过信号级的I/O接口将实时仿真器与被测设备（Device Under Test，DUT）连接起来，仿真器上实时运行的精确物理仿真模型能够替代真实设备，实现复杂的闭环测试，无需在真实系统上进行测试。HIL仿真在高效率、低成本和安全性方面表现突出，已成为全球多数领域的行业标准。

功率硬件在环（PHIL）仿真是HIL（信号级）的扩展，在HIL的基础上加入适合的功率放大设备和接口算法，不仅能够进行实时数字仿真器和真实被测设备之间的信号级交互，还能够完成设备之间的功率级交互。PHIL仿真需要闭环，以确保实现虚拟世界和真实物理世界之间的准确交互。因此，功率放大器的选型需着重考虑其闭环性能以及提供/吸收功率的能力。

PHIL仿真测试具备高保真度、高灵活性特点，能够满足严苛的功率应用需求；测试覆盖范围广泛，能够帮助工程师们测试各种类型的电力设备（包括功率换流器、发电机和马达等）；安全性高，能够以相对更安全的方式执行真实物理环境中无法实现或者风险很高的测试。

关键点一：功率放大器工作范围

（电压、电流、功率）

在设计搭建PHIL测试台时，首先需要对交互的设备进行工作功率范围的评估。一个常见的错误是：只考虑功放提供功率的能力，而忽略了其吸收功率的能力和带宽。PHIL测试台必须根据测试需求进行设计，否则在暂态测试过程中，实际测试需求可能会超出设备标称数值，从而导致过流、过压或瞬时过载。

基于此，在选择功率放大器时需要考虑以下几个方面:

01 标称/稳态参数：

• 相数；

• 标称频率下的标称功率（交流为kVA，直流为kW）; 

• 功率提供和功率吸收模式下每象限的功率因数（如需使用四象限操作）； 

• 额定交流和直流电压； 

• 额定工作频率； 

• 频率带宽； 

• 通过电压和频率判断需要的额定功率和电流。

02 暂态和瞬时工作特性：

除了上述特性之外，一些功放厂商还规定（或提供）了过压和过流保护的可配置范围。在设计PHIL测试台的过程中，建议用户将这一点也考虑进去。多数功放厂商会提供功率放大器的动态特性图，下图是OPAL-RT的OP8110功率放大器频率响应增益。

许多功率放大器能够在短时间内将电流和功率极限保持在高于其市场宣传数值之上的水准。对于某些必须满足极限工况的特殊应用，功放厂商可能会提供额外的信息。

在某些应用中，需要使用升压变压器来满足被测设备（DUT）的标称或最大额定电压，用户应根据功率放大器的过载能力来选择变压器的额定功率和能力，并留出10% 到 20% 的裕量。请注意：添加变压器会改变PHIL测试台接口的频率响应，因此需要特别注意直流响应仿真。

此外，根据饱和特性和工作条件的不同，变压器可能容易饱和。由直流电压或故障清除等暂态条件引起的变压器高度饱和可能会被功放视为准短路，从而导致功放跳闸。因此，在设计PHIL测试台配置之前，应详尽地理解应用的需求。部分变压器产品可适用于更大范围的线性操作，但同时需要更大尺寸的磁芯，变压器的成本和重量将会随之增加。

因此，PHIL测试台的设计通常需要对成本和操作条件进行综合衡量，选取合适的方案。

关键点二：经济适用性

（经验法则）

功率放大器选型的第二个关键点是价格与预算之间的平衡。功放的额定功率、电压范围和频率带宽都会极大地影响其价格，因此在选型过程中应考虑到这些因素。

如图5所示，按照额定功率分类，功率放大器成本粗略估算为：四象限低带宽功放价位区间为1k美金/kW~2k美金/kW，高频线性四象限功放价格可能会超过12k美金/kW。这仅是从额定功率角度对当前市场价格的粗略估计，其他因素也会对价格区间产生影响，例如：功放的带宽、功率提供和功率吸收功能以及PHIL系统中最终选用的仪器和控制类型。

选择合适工作功率范围的功率放大器并不容易，很大程度上取决于预期目标，以及最终系统中诸多变量间的相互作用。此外，并非所有功放的内部测量点反馈速度都足以实现PHIL 闭环。在这种情况下，功放的整体成本中需要考虑增加用于高压和大电流测量的外部传感器的费用。

对于某些应用，除了功率放大器和试验台内的其他设备外，还应考虑额外的成本和设计问题，包括：适合功率放大器和变压器（如需）的主电源和实验室基础设施。部分功放所规定的的辅助直流电源，需要进行测试选择。同时，应关注设备的标准标签和主要接口器类型。部分功放厂商可能需要定制的电源输入接口。

粗略考量 - 基于功放的额定功率

功放的额定功率会极大影响其价格，因此额定功率必须作为功放选型的重要考量因素。下表列出了三种额定功率区间的价格差异，但此表仅是从额定功率范围的角度对当前功放的市场价格进行粗略估计，其他因素也会对功放价格产生影响，例如：功放的带宽、功率提供和功率吸收功能以及PHIL系统中最终选用的仪器和控制类型。

在下一章节中，我们将对如何选型进行详细介绍。该图表仅是以功放的额定功率为基础，对市场价格做出初步预估，而根据本白皮书中介绍的其余4个选型标准，功放的市场价格将会有很大差异。

选择合适的功放工作范围并非易事，预期目标和最终系统中涉及的诸多变量都会对其产生影响。在第三章节中，我们将帮助大家分析选型的另一个关键点——“功率提供和功率吸收”。

关键点三：功率提供&吸收能力

（四象限功放）

功率提供和吸收能力是我们选配功放时需要着重考虑的第三个关键点，市场上具备功率吸收功能的功放价格可能是标准的“源”模式功放的两倍。而根据功放应用场景的不同，仿真器通常需要向负载提供功率（通常称为“源”，英文sourcing，即功率提供）或从发电机中吸入功率（通常称为“吸收”，英文sinking）。

例如，功放应用于电机控制中，电机制动所产生的功率可以被回收利用，为电池充电。此外，微电网所产生的多余功率可以“反哺”给主电网，而主电网亦可将电力推送回微电网。因此，若需功率在实际应用中进行双向流动，则需要一个兼具功率提供和功率吸收两个功能的功率放大器。

具有这种双向功能的功放可以在四象限功率示意图的所有象限中工作，因此通常被称为四象限（Four Quadrant, 4Q）功率放大器。如图6所示，在各象限工作模式中（其中“测量的电流”是指功放流出的电流），如功放流出的电流与电压的极性相反，则功放此时被当作负载使用；如电流和电压极性相同，则功放被当作电源使用。值得注意的一点是，四象限（4Q）功率放大器需要为纯无功（电感或电容）负载提供补偿，以保证每个象限的额定功率相等，但负载功率因数将影响每个象限的额定功率。

根据功率提供和吸收功能的不同能力，功率放大器可以分为两类：线性功率放大器和开关型功率放大器。

线性功率放大器

当线性功率放大器在半导体元件的线性区域工作时，线性功放通常在10kHz以上具有良好的频率响应，但缺点是功放的效率较低。此外，线性功放的功率吸收通常为额定功率的30%左右；部分供应商也会提供特殊选配，通过增加电阻负载以实现100%的功率吸收。

开关型功率放大器

当开关功率放大器的开关元器件工作在AC-DC换流器饱和区域，就其本质而言，开关型功放效率更高(>90%)，更加利于功率吸收，其额定功率通常高于线性功率放大器。但开关型功放的缺点是通常带宽较低，其带宽主要取决于PWM频率和滤波。目前，市场上部分新型开关型功放主要采用了高开关频率的电力电子开关元件（如较新的SiC 和 GaN 晶体管），使得开关型功放可达到5kHz或更高的带宽。

选择功率吸收模式

并非所有功率放大器都基于同样的设计，部分功放在设计时功率提供和功率吸收能力是不对称的。因此，根据工作象限的不同，其安全工作区域也会大相径庭，尤其是在处理功率过载时。有些功率放大器（主要是线性放大器），其消耗额外功率的方式是转换为热能；其他功放则可以将额外功率转移至电网。这种高阶的“再生式”功率放大器功率损耗更少、效率更高。

因此，需要根据具体的应用场景来确定功率放大器的功率提供和吸收能力，下一步则是为功率放大器选择合适的带宽。

（未完待续）