From Simulation to Hardware: Experimental Signal Vali-dation in PHIL (Power-Hardware-in-the-Loop) for Hybrid Microgrids with Photovoltaic Integration

De la Simulacion al Hardware: Validacion Experimental de Señales en PHIL (Power-Hardware-in-the-Loop) para Microrredes Hibridas con Inte-gracion Fotovoltaica

This paper presents the design, implementation, and validation of a Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL) test bench aimed at evaluating the response of protection systems under dynamic events in hybrid microgrids with photovoltaic (PV) generation. Using an OPAL-RT simulator and Hypersim software, a 2 MW microgrid was modeled, including converters, transmission lines, AC/DC loads, and a SEL-351S protection relay as the hardware under test. Tests were conducted under fault conditions and irradiance variations to validate both the relay’s performance and the accuracy of the simulated signals. A three-stage multipoint validation methodology was implemented: at the simulator output, after decoupling, and after amplification. Oscilloscopes were used to detect distortions, phase shifts, or signal attenuation. The results showed that although the virtual environment was accurate, the physical stages of the PHIL loop introduced distortions that affected the relay’s operation. The study highlights the importance of ensuring signal integrity throughout the experimental loop and proposes improvements in amplification and filtering. It concludes that PHIL test benches, when properly designed and validated, are effective tools for testing emerging technologies, though they require a comprehensive approach to maintain fidelity between simulation and real hardware.

El presente trabajo describe el diseño, implementación y validación de un banco de ensayos Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL) orientado a evaluar la respuesta de sistemas de protección ante eventos dinámicos en microrredes híbridas con generación fotovoltaica (FV). Utilizando un simulador OPAL-RT y el software Hypersim, se modeló una microrred de 2 MW con convertidores, líneas de transmisión, cargas en AC/DC y un relé de protección SEL-351S como hardware bajo prueba. Se realizaron pruebas bajo condiciones de fallas y variaciones de irradiancia para validar tanto el desempeño del relé como la fidelidad de las señales simuladas. Se implementó una metodología de validación multipunto en tres etapas: salida del simulador, post-desacoplamiento y post-amplificación, empleando osciloscopios para detectar distorsiones, desfases o atenuaciones. Los resultados mostraron que si bien el entorno virtual era preciso, las etapas físicas del lazo PHIL introducían distorsiones que afectaban la actuación del relé. La investigación destaca la importancia de garantizar integridad de señal en todo el lazo experimental y propone mejoras en amplificación y filtrado. El estudio concluye que los bancos PHIL, cuando están correctamente diseñados y validados, son herramientas efectivas para probar tecnologías emergentes, aunque requieren un enfoque integral para preservar la fidelidad entre simulación y hardware real.