储能变流器（PCS）及其HIL测试方案

网站首页 ꄲ 技术blog和使用技巧 ꄲ 储能变流器（PCS）及其HIL测试方案

一、技术背景

近年来，储能技术作为推动能源结构转型和实现"双碳"目标的核心支撑，在政策扶持、技术创新及市场需求的三重驱动下，稳健高速增长。根据应用场景与规模的差异，储能系统可以分为三大类型：家庭储能（小储/户储）、工商业储能(中储/工商储）和大型储能系统（大储）。

而储能变流器（PCS，Power Conversion System）就是确保这些系统高效、安全、稳定运行的关键设备，负责完成电能的双向转换。其核心功能如下所示：

目前，常用的PCS方案包括有三种：单级式低压方案、双级式低压方案以及高压直挂式方案[1]。

1、单级式低压方案

仅通过一级功率变换（如DC/AC或AC/DC）实现能量转换，通常用于低压场景，常见于小型光伏逆变器、低压储能系统、户用光储一体机等。

2、双级式低压方案

包含两级功率变换，前级（DC/DC）用于调节电压（如升压或降压），适配后级输入，后级（DC/AC）用于实现并网或离网逆变。常见于工商业储能系统、中功率光伏逆变器、需宽电压输入的场合等。

3、高压直挂式方案

此方案通过H桥级联，直接接入中高压电网（如10kV或35kV），无需工频变压器，通过多电平拓扑（如模块化多电平变流器MMC）实现高压输出。常见于大型储能电站、海上风电并网、高压直流输电（HVDC）。

各个方案优缺点如下：

储能变流器（PCS）作为连接电池系统与电网的关键枢纽，需要同时满足电网合规性、用户经济性和系统安全性的三重需求。在其开发过程中，硬件在环（HIL）测试凭借自身高效安全的工程验证能力，已成为行业主流测试方案。

HIL系统通过实时仿真技术构建高保真虚拟电网环境，集成高精度电池模型与实时通信协议栈，实现对PCS（乃至整个储能系统）的全生命周期测试覆盖。

该系统不仅能满足高低压穿越等基础并网测试需求，更能安全模拟各类极端工况和高危故障场景，有效规避物理设备损坏风险。相较于传统电网模拟器方案，HIL测试不仅可以减少大量的测试成本，还能在硬件未定型阶段提前验证控制算法，显著缩短开发周期。

在系统级验证方面，HIL平台支持PCS多机并联测试，以及与电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）的协同控制测试。结合自动化测试软件，可批量执行数百项标准化测试用例，大幅提升了测试效率。

总而言之，利用HIL系统的优势，能够提前发现潜在问题，降低故障风险，缩短开发和测试周期，加快产品上市时间等，此外更能够以统一的硬件平台和软件工具链完成储能相关产品所有的验证测试工作，满足储能技术发展中不同物理形态控制器及产品动态变化的验证测试需求。

信号级PCS的HIL测试系统包括以下三部分：

① 上位机

② 实时仿真机

运行PCS被控对象实时仿真模型，并通过其搭载的IO和通讯模块，实现与控制器的信号交互。

③ 被测对象

待测试的PCS控制器。

功率级PCS的HIL测试系统包括以下四个部分：

① 上位机

② 实时仿真机

运行PCS被控对象实时仿真模型，并通过其搭载的IO和通讯模块，将信号传递至功率放大器。

③ 功率放大器

接受来自实时仿真机的信号，并模拟电网和电池的变化。

④ 被测对象

包括待测试的PCS功率电路和PCS控制器。

实时仿真机，包括SSD、RAM和CPU，以及通过PCIe总线扩展的模拟IO模块、数字IO模块、通信IO模块以及FPGA IO模块，通过千兆以太网与上位机进行数据交互。

高性能的多核CPU，支持电网与数十套PCS的并行仿真，并将仿真步长控制在50~100微秒。

此外，一台主机可同时支持多个FPGA模块，模块之间通过SFP接口实现同步连接，在需要上百个模拟、数字和光纤通道的应用中，也能轻松实现足够的闭环速率，将仿真步长控制在100~500纳秒。

在功率级PCS HIL测试中，功率放大器用于模拟电网运行状态。

其需要实现功能如下：

电压调节：可模拟不同电压水平，如高压、低压等状况；
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。
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。
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。
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。