光伏逆变器HIL仿真测试系统解决方案

光伏逆变器系统介绍

光伏逆变器是将太阳能电池板（光伏组件）产生的直流电（DC）转换为交流电（AC）的关键设备，它是太阳能光伏发电系统中的核心部件，负责将光伏组件产生的直流电转化为适合电网或负载使用的交流电，是并网型光伏系统能量转换与控制的核心，其性能不仅是保障整个光伏系统稳定、安全、可靠、高效运行的必要条件，同时也是影响整个系统使用寿命的主要因素。

依据光伏逆变器前级是否有DC/DC 变换器可将光伏并网逆变器分为单级式结构和与双级式结构，其两种结构示意图如下所示。

光伏逆变器单极式结构

光伏逆变器双极式结构

上述两种结构有各自的优缺点，如下表所示：

对于光伏逆变器的相关功能包括：

1）MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）：

1. MPPT是一种用于光伏系统的技术，优化光伏组件的输出功率，太阳能电池板的输出功率会随光照强度、温度和负载条件的变化而变化。MPPT通过实时调整电池板的工作点（电压和电流），使其始终工作在最大功率点（MPP），从而最大化能量输出。
2. 为了实现MPPT，逆变器会持续监测光伏组件的电流和电压变化，并根据这些变化调整自身的工作状态。这通常通过DC/DC变换电路来完成，通过调节PWM驱动信号的占空比来确保光伏组件的输出始终接近最大功率点。

2）直流转交流：将光伏组件产生的直流电转换为交流电。

3）并网功能：确保输出电流与电网同步，符合并网要求。

4）保护功能：提供过压、过流、短路等保护，保障系统安全。

光伏逆变器的结构复杂且精密，各部分协同工作，确保高效、稳定地将直流电转换为交流电。随着技术进步，逆变器结构不断优化，性能不断提升，推动光伏系统整体效率的提高。

根据应用场景和性能特点，光伏逆变器可分为四大类：集中式逆变器、组串式逆变器、集散式逆变器和微型逆变器。

HIL仿真技术

HIL仿真技术是一种将实际硬件与虚拟仿真模型结合的技术，它通过将硬件设备与计算机仿真模型连接起来，模拟真实系统的运行环境，从而对硬件设备和控制算法进行测试和验证广泛应用于控制系统的开发和测试 ，相较于常规性系统测试优势如下：

1）提高开发效率

1. 并行开发：硬件和软件可以同步开发，提高开发效率。
2. 早期测试：在硬件制造完成前即可进行测试，提前发现问题。
3. 问题定位：能够快速定位和解决系统中的问题，缩短开发周期。

2）提高测试覆盖率和精度

1. 复杂场景模拟：可模拟各种极端和复杂工况，提升测试覆盖率。
2. 高精度模型：虚拟模型能精确模拟系统行为，提高测试准确性。

3）灵活性和可扩展性

1. 参数调整：方便调整系统参数，优化设计。
2. 模块化设计：支持模块化设计，便于扩展和升级。

4）降低开发成本

1. 减少实物原型：通过虚拟模型减少对昂贵实物原型的依赖。
2. 减少测试风险：在虚拟环境中测试高风险操作，避免硬件损坏。

5）增强系统可靠性

1. 全面验证：在仿真环境中全面验证系统性能，确保可靠性。
2. 故障注入：模拟各种故障情况，验证系统的容错能力。

6）安全性

1. 测试极端工况：HIL仿真可以在受控的模拟环境中测试可能对人员或设备造成危险的极端情况。
2. 避免真实风险：在测试过程中，即使出现故障或异常情况，也不会对真实的人员、设备或环境造成损害

HIL仿真在提高开发效率、降低成本、增强系统可靠性和安全性方面具有显著优势，在未来的系统开发和测试中发挥越来越重要的作用。

随着技术的不断进步，HIL仿真系统将更加智能化、集成化和高效化，为复杂系统的开发和测试提供更强大的支持，在汽车、航空航天、工业自动化、电力电子、储能、等领域得到了广泛应用。

信号级光伏逆变器 HIL仿真测试系统

光伏逆变器的HIL仿真测试系统包括以下三部分：

1）上位机：开发光伏逆变器被控对象实时仿真模型，包括：电网模型，DC/DC变换器，DC/AC变换器，多电平变换器；组态式上位机界面：在线调参，波形显示，数据记录；

2）实时仿真机：运行光伏逆变器被控对象实时仿真模型；

3）被测试的光伏逆变器的控制器。

信号级光伏逆变器的HIL仿真测试系统

功率级光伏逆变器HIL仿真测试系统

功率级光伏逆变器的HIL测试系统包括以下四个部分：

1）上位机：开发实时仿真模型，包括：电网模型，电池模型；组态式上位机界面：在线调参，波形显示，数据记录；

2）实时仿真机：运行实时仿真模型；

3）功率放大器：电网和电池的变化；

4）被测试的光伏逆变器系统，包括光伏逆变器功率电路和光伏逆变器控制器。

功率级光伏逆变器的HIL仿真测试系统

实时仿真机

实时仿真机，包括SDD，RAM和CPU，通过PCI总线扩展模拟IO模块，数字IO模块，通信IO模块，FPGA IO模块，通过千兆以太网与上位机进行数据交互。

实时仿真机

高性能的多核CPU，同时并行仿真电网和几十套光伏逆变器，仿真步长50~100微秒。

仿真机支持多块FPGA板卡，通过低延迟的FPGA内部通讯，实现多FPGA IO模块的连接，在需要上百个模拟、数字和光纤通道的应用，确保实现快速的闭环速率，支持单套或者几十套光伏逆变器的实时仿真，仿真步长100~500纳秒。

多FPGA并行仿真

功率放大器

在功率级光伏逆变器的测试中，功率放大器用于模拟电网运行状态：

1）电压调节：可模拟不同电压水平，如高压、低压等状况；

2）频率调节：能够改变输出频率，模拟电网频率的变化，如频率波动、频率偏移等情况；

3）相位调节：可以调整输出电压的相位角，模拟三相电网中相位关系的变化；

4）谐波编辑：能够产生各种谐波成分，模拟电网中的谐波污染情况。通过模拟谐波，可以评估电气设备对谐波的抗干扰能力，以及研究谐波对电力系统的影响和治理方法；

5）电网事件模拟：如模拟电网的电压扰动（包括电压暂升、暂降、中断等）、频率扰动（频率突变、漂移等）以及三相不平衡等复杂情况，帮助研究人员和工程师深入了解电网在各种异常情况下的特性，以及测试设备和系统在这些恶劣条件下的应对能力和可靠性。

选择功率放大器时，关键考虑因素包括：

1）电气规格：主要是功率、电流、电压、频率和相数。功率放大器要能处理交流和直流电压；

2）电源和负载（吸收）能力：电网模拟运行需要4个象限。直流电源（电池）和吸收（负载）运行需要2个象限；

3）带宽：对于简单的交流电网仿真，1~5 kHz的带宽可能就足够了。对于谐波、故障瞬态仿真，首选5kHz或更高的带宽；

4）HIL接口：首选使用Aurora协议的SFP等高速数字I/O。可以使用模拟信号，但需要噪声滤波情况，还需要电气隔离；

5）环境适应性：能在高温、高湿等恶劣环境下稳定工作。

光伏逆变器系统的FPGA模型

光伏逆变器功率电路使用的电力电子拓扑包含以下，如下表所示：

随着SiC，GaN等器件的应用，为实现更高功率密度，更小的体积，更高的效率的目标，光伏逆变器功率电路：

1）开关频率高达几十甚至上百kHz，需要更快的仿真速率，更小的仿真步长；

2）更大的电力电子拓扑规模（1个电力电子拓扑包括上万个电力电子器件），需要更多的仿真硬件资源，导致成本上升。

针对这两个问题的解决方法如下：

1）采用模拟行为模型(Analog Behavioral Modeling，即 ABM）的方式进行建模。不考虑电力电子拓扑内部每个开关器件的模型，而是把电力电子拓扑作为一个整体，利用开关函数来描述其输入输出的数学关系；

H半桥的基于开关函数的输入输出关系和基于ABM的Simulink模型

2）基于组件的（积木式）建模。虽然电力电子拓扑类型较多，但是这些拓扑都可以分解为5种基本拓扑（组件）。基于5种基本电力电子拓扑，组合实现各种拓扑。

基于5种基本电力电子拓扑，组合实现各种拓扑

解决方法的有点如下：

1）基于ABM的建模方式，简化电力电子拓扑内部的复杂度，降低对仿真硬件资源的占用，并减少模型计算量，提升计算速度，缩短仿真步长；

2）基于组件的（积木式）建模，通过基本电力电子拓扑，组合得到复杂的电力电子拓扑，大幅缩短建模的时间，提升建模效率。

基于上述基本模块，搭建信号级光伏逆变器系统模型如下图所示:

信号级光伏逆变器 HIL系统模型

功率级光伏逆变器 HIL系统模型

光伏逆变器系统的仿真测试

连接相关信号的线束，将模型下载至实时仿真机中并运行，通过上位机发送相关指令，实时模拟测试工况，进行实时仿真测试，并实时记录相关测试数据和波形。

光伏逆变器主要的测试项目：

1）MPPT自调节控制；

2）功率控制；

3）电网适应性；

4）电能质量；

5）低电压/高电压穿越；

6）扫频测试；

7）构网型：惯量支撑，一次调频，阻尼控制。

测试波形如下：