PHIL 功率硬件在环平台

简介

PHIL（Power Hardware-In-the-Loop，功率硬件在环）是将实时数字仿真与物理功率设备结合的测试方法：一部分系统（控制算法、电网模型）在实时仿真器中运行，另一部分（功率变换器）作为真实硬件接入。

本平台用于测试三相并网逆变器（GFM/GFL）在不同电网条件下的控制性能，相比纯软件仿真更接近真实工况，相比完整实验台更安全、灵活。

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系统架构图

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║                    PHIL 平台系统框图                              ║
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║                                                                  ║
║  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐    ║
║  │              控制层：InsRealm RTScale (FPGA)             │    ║
║  │                                                          │    ║
║  │   Simulink 控制模型 → HDL Coder → FPGA 实时执行          │    ║
║  │   ┌──────────────┐    ┌──────────────┐                  │    ║
║  │   │  GFM 控制器  │ or │  GFL 控制器  │  (切换实验)       │    ║
║  │   │ (虚拟同步机) │    │ (电流环+PLL) │                  │    ║
║  │   └──────┬───────┘    └──────┬───────┘                  │    ║
║  │          └─────────┬─────────┘                          │    ║
║  │                    │ PWM 信号 (via 杜邦线转接板)           │    ║
║  └────────────────────┼─────────────────────────────────────┘    ║
║                       │                                          ║
║                       ▼                                          ║
║  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐    ║
║  │              功率层：Danfoss VLT FC302 (5.5kW)           │    ║
║  │                                                          │    ║
║  │   直流母线 → 三相全桥逆变 → 输出 U/V/W                   │    ║
║  │                    │                                     │    ║
║  └────────────────────┼─────────────────────────────────────┘    ║
║                       │                                          ║
║                       ▼                                          ║
║  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐    ║
║  │              接口层：LCL 滤波器                           │    ║
║  │                                                          │    ║
║  │   [L1: 2mH] ── [Cf: 4.7μF] ── [L2: 80μH]              │    ║
║  │   (逆变器侧)    (谐波旁路)    (电网侧)                   │    ║
║  └────────────────────┼─────────────────────────────────────┘    ║
║                       │                                          ║
║                       ▼                                          ║
║  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐    ║
║  │              电网层：ITECH IT-7900EP                     │    ║
║  │                                                          │    ║
║  │   可编程交流电网模拟器（模拟正常/故障电网条件）            │    ║
║  │   • 正常工况：50Hz / 400V 三相平衡                       │    ║
║  │   • 扰动测试：频率跳变、电压跌落、谐波注入               │    ║
║  └─────────────────────────────────────────────────────────┘    ║
║                                                                  ║
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║  传感器反馈：电压/电流传感器 → ADC → RTScale（闭环控制）          ║
╚══════════════════════════════════════════════════════════════════╝

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各设备分工

设备	角色	连接关系
RTScale	实时控制器，运行 GFM/GFL 算法	PWM 输出 → Danfoss 门极驱动
Danfoss VLT FC302	功率硬件，执行物理开关动作	输出三相 AC → LCL 滤波器
LCL 滤波器	谐波抑制，逆变器与电网的无源接口	串联在 Danfoss 与 IT-7900EP 之间
IT-7900EP	电网模拟器，提供可控 AC 参考源	吸收/提供逆变器输出功率

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典型实验流程

1. 启动准备
   ├── 确认 WHT35 主隔离开关关闭
   ├── 检查 LCL 滤波器接线（L1→Danfoss, L2→IT-7900EP）
   └── 上电顺序：IT-7900EP → 控制电源(24V) → Danfoss → RTScale

2. 配置 RTScale
   ├── 通过 HDL Coder 下载控制模型到 FPGA
   ├── 设定控制参数（Kp, Ki, 参考功率/电压等）
   └── 确认 PWM 频率（典型 10~20 kHz）

3. 配置 IT-7900EP
   ├── 设置输出电压（50Hz / 400V）
   ├── 选择单相或三相输出模式
   └── 使能输出（IT-7900EP 上电输出）

4. 运行实验
   ├── 逐步升高 Danfoss 输出功率
   ├── 用 R&S RTM3004 示波器监测并网电流波形
   └── 记录稳态和动态响应数据

5. 停机顺序（与上电反序）
   RTScale 停止 → Danfoss 停止 → IT-7900EP 停止 → 主开关断开

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安全注意事项

⚠️ PHIL 平台涉及三相 400V 强电，操作前务必经过培训。

• 双人原则：首次调试或异常情况下必须两人在场
• 急停位置：WHT35 主隔离开关（红色，位于实验台 A-5 位置）
• Danfoss 母线放电：断电后等待 7 分钟 再接触变频器内部
• LCL 电容残压：断电后需用电阻手动放电（约数秒）
• IT-7900EP 输出：模拟电网电压，断开前先降输出为零

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关联设备词条

• Danfoss 三相逆变器 → danfoss-fc302
• InsRealm RTScale → insrealm-rtscale
• LCL 滤波器 → lcl-filter
• ITECH IT-7900EP → itech-it7900ep
• Simulink HDL Coder → simulink-hdlcoder