一种电网模拟装置的制作方法

本发明属于电力状况模拟领域，尤其是一种电网模拟装置。

背景技术：

在研究分布式发电装置、变流器与电网的相互影响时，常常需要电网处于一些特殊的工况之下，如电压跌落、三相不平衡、频率波动、含背景谐波等等。对于实际的实验系统，由于电网的特殊性，往往很难使实际电网出现上述情况，这便给分布式发电装置、变流器与电网的相互影响研究带来了不便。

当研究对象包含电网时，我们会习惯的选择电力系统仿真软件，如matlab、rtds、psasp等。可是软件仿真获取的结果，往往不能够准确反应实际情况。仿真结果常用作定性分析，而不能定量的研究问题。另一方面，假如我们用实物做实验，这种耗资是巨大的。尤其涉及到庞大的电力系统，对电力系统做实验不现实，特别是电力系统特殊工况的模拟。

该装置与实际负载和变流器连接或与半实物仿真装置连接可模拟多种电网形态，以定量研究电网与并网变流器或者负载之间的相互影响，解决当前研究过程中存在的软件仿真精度差、实际电网试验成本昂贵的问题。

技术实现要素：

如背景技术中的描述，面对这种情况，可以设计一种电网模拟装置，将模拟电网与实际负载和变流器接到一起。实现各种电网特殊工况的模拟。考虑到rtds丰富的电力系统模型库与实时性，能实现与外界实物连接，适合做电网模拟。但实际实验证实，rtds的功率输出能力很低，不能够满足模拟大容量电网的要求。需要采用功率放大器放大输出信号。可以考虑采用a类推挽功放，但是a类功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，a类功放必须采用大型散热器，并且效率低。d类功率放大（数字功放）的工作原理有点类似开关稳压电源，它是通过控制功率管的开关(通／断)来获得功率转换的。开关管在导通时虽然电流最大，但是管压降却很低。在截止时虽然电压最大，电流却等于零。通常d类放大的效率可达90％～95％。数字功放技术广泛应用于音响设备，主要是对音频信号进行功率放大。数字功放芯片的开关频率至少为200khz，是人耳听到的音频范围（20hz～20khz）的10倍以上。可以很好的复现电网中的50khz以内谐波。

本发明提供一种用于模拟多种形态的电网模拟装置，该装置即可与实际负载和变流器接到一起，也可与半实物仿真装置连接，用于研究电网与并网变流器或者负载的相互影响。

本发明提供一种电网模拟装置，其特征是，主要由实时数字仿真模块、信号调制器、功率放大器、滤波器和采样反馈模块五部分组成，实时数字仿真模块连接信号调制器，信号调制器连接功率放大器，功率放大器连接滤波器，滤波器连接采样反馈模块，采样反馈模块连接实时数字仿真模块，滤波器输出模拟信号；实时数字仿真模块用于建立和仿真电网模型，产生正弦信号；功率放大器采用应用数字功放技术的数字功放芯片，采用两级放大形式，第一级放大由信号调制器将幅值较低的正弦信号转化为5v的pwm信号，第二级放大由功率放大器将第一级的pwm波形作为驱动信号进行幅值和功率放大，其信号输出方式采用桥接式负载btl（bridgetiedload），具有两个功放输出端，一个功放的输出是另外一个输出端的镜像，两输出波形在相位上相差180°，幅值是单端输出波形的两倍；滤波器采用lcl拓扑结构，用于滤除高次谐波，确保波形不失真且不向电网引入谐波；采样反馈模块用于采集滤波器输出信号，并将其反馈至实时数字仿真模块的ad采集端，系统形成闭环，消除误差。

本发明电网模拟装置用于模拟多种形态的电网，如电压跌落、三相不平衡、频率波动等。它将rtds仿真软件和实物接到一起，具有可靠的半实物仿真功能；利用实时数字仿真模块（rtds）建立和仿真电网模型，输出某节点的电压、电流波形，经外部功率放大器放大波形的幅值和功率，保证波形不失真且不向电网引入谐波，同时可根据需要增加反馈环节。

进一步，电网模拟装置主要包含rtds和功率放大器，rtds可以选用业内认可的电力系统仿真软件或者控制器，后者是自主开发的功率放大器，该功率放大器采用数字功放技术，其核心为数字功放芯片，它的开关频率可达300khz。

进一步，功率放大器采用两级形式，第一级将rtds输出的正弦波转变为5v的pwm信号，第二级将pwm波形作为驱动信号，驱动数字功放芯片输出pwm。输出方式采用桥接式负载btl（bridgetiedload），互差180°的双路输出，最终得到的电压是原来单端输出的两倍。

进一步，所述功率放大器对于实际电网，考虑电网谐波的范围大概在10khz以内，而数字功放芯片的开关频率可达300khz，为前者的30倍；因此，该装置引入的谐波可忽略。同时依靠300khz开关频率,低通滤波器的设计就很简单，并且对lc参数的要求很低，滤波器的体积也较小。滤波器采用lcl结构，具体可参考附图6。

进一步，所述的功率放大器，因数字功放芯片分散性很小，不同的数字功放芯片输入相同的波形，滤波输出后的波形几乎一致，因此，三个单相放大器并联构建三相功率放大器，也可通过并联功放芯片来提高功率等级。

进一步，所述功率放大器，其输出电压和功率受到数字功放芯片的限制，除了通过并联功放芯片来提高功率等级，还可选用升压变压器提高输出电压。

本发明所述的实时数字仿真模块英文缩写为rtds。

本发明带来的技术效果是：

1、该装置采用应用数字功放技术芯片的功率放大器，大幅提高了放大效率，解决了rtds不能模拟大容量电网的问题。

2、该装置采用应用数字功放技术芯片的功率放大器，大幅提高了开关频率，能够有效模拟实际电网中50khz以内的谐波，频率响应范围更宽，对于跌落、高次谐波等电网形态的模拟更加逼真。

3、该装置采用应用数字功放技术芯片的功率放大器，降低了l、c参数的要求，简化了滤波器的设计，减小了滤波器的体积。

4、该装置采用应用数字功放技术芯片的功率放大器，由于其一致性好，构建三相功率放大器更加容易。

5、该装置可方便应用升压变压器提高输出电压，通过并联功放芯片提高输出功率，有效克服了数字功放芯片对输出电压和功率的限制，可方便模拟各种形态电网。

6、能够方便模拟电网特殊工况。

7、频率响应范围宽，对于跌落、高次谐波等现象模拟逼真。

附图说明

图1是本发明原理框图；

图2是本发明tpa2000电路图；

图3是本发明tas5261电路图；

图4是本发明tas5261输出功率与负载和电压的关系图；

图5是本发明滤波器lcl拓扑结构电路图；

图6是本发明实施例2的原理框图；

图中：1为实时数字仿真模块；2为信号调制器；3为功率放大器；4为滤波器；5为采样反馈模块。

具体实施方式

参照附图1-5，更详细说明本发明的实现方式。

实施例1

本发明提供一种电网模拟装置，主要由实时数字仿真模块1、信号调制器2、功率放大器3、滤波器4和采样反馈模块5五部分组成，实时数字仿真模块1连接信号调制器2，信号调制器2连接功率放大器3，功率放大器3连接滤波器4，滤波器4连接采样反馈模块5，采样反馈模块5连接实时数字仿真模块1，滤波器4输出模拟信号；实时数字仿真模块1用于建立和仿真电网模型，产生正弦信号；功率放大器3采用应用数字功放技术的数字功放芯片，采用两级放大形式，第一级放大由信号调制器2将幅值较低的正弦信号转化为5v的pwm信号，第二级放大由功率放大器3将第一级的pwm波形作为驱动信号进行幅值和功率放大，其信号输出方式采用桥接式负载btl（bridgetiedload），具有两个功放输出端，一个功放的输出是另外一个输出端的镜像，两输出波形在相位上相差180°，幅值是单端输出波形的两倍；滤波器4采用lcl拓扑结构，用于滤除高次谐波，确保波形不失真且不向电网引入谐波；采样反馈模块5用于采集滤波器4输出信号，并将其反馈至实时数字仿真模块1的ad采集端，系统形成闭环，消除误差。

本发明电网模拟装置用于模拟多种形态的电网，如电压跌落、三相不平衡、频率波动等。它将rtds仿真软件和实物接到一起，具有可靠的半实物仿真功能；利用实时数字仿真模块（rtds）建立和仿真电网模型，输出某节点的电压、电流波形，经外部功率放大器放大波形的幅值和功率，保证波形不失真且不向电网引入谐波，同时可根据需要增加反馈环节。

进一步，电网模拟装置主要包含rtds和功率放大器，rtds可以选用业内认可的电力系统仿真软件或者控制器，后者是自主开发的功率放大器，该功率放大器采用数字功放技术，其核心为数字功放芯片，它的开关频率可达300khz。

进一步，功率放大器采用两级形式，第一级将rtds输出的正弦波转变为5v的pwm信号，第二级将pwm波形作为驱动信号，驱动数字功放芯片输出pwm。输出方式采用桥接式负载btl（bridgetiedload），互差180°的双路输出，最终得到的电压是原来单端输出的两倍。

进一步，所述功率放大器对于实际电网，考虑电网谐波的范围大概在10khz以内，而数字功放芯片的开关频率可达300khz，为前者的30倍；因此，该装置引入的谐波可忽略。同时依靠300khz开关频率,低通滤波器的设计就很简单，并且对lc参数的要求很低，滤波器的体积也较小。滤波器采用lcl结构，具体可参考附图6。

进一步，所述的功率放大器，因数字功放芯片分散性很小，不同的数字功放芯片输入相同的波形，滤波输出后的波形几乎一致，因此，三个单相放大器并联构建三相功率放大器，也可通过并联功放芯片来提高功率等级。

进一步，所述功率放大器，其输出电压和功率受到数字功放芯片的限制，除了通过并联功放芯片来提高功率等级，还可选用升压变压器提高输出电压。

实时数字仿真模块（rtds）为常用的电力系统仿真软件，其具有丰富的电力系统模型库与实时性，能实现与外界实物连接，适合做电网模拟。

功率放大器一级功放（功放调制）选用tpa20000芯片，该芯片能将正弦信号变成pwm信号，输出幅值为5v，功率为2w。与以前产品相比，该产品供电电压更低，噪声更小，效率更高。

功率放大器第二级功放（功放放大）采用自主开发的tas5261数字功放芯片，该芯片是一种高性能、集成的、低谐波损耗的单声道数字功放芯片，其大小仅为16×11×3.5mm，其电路设计简单，仅需要一个简单的解调滤波器电路就能实现高质量、高效的声音放大，能实现单相300w的输出，输出单相电压峰值50v内可调节，峰峰值为100v，频率在音频范围可调节。电源开关频率采用300khz，采用较小的电感、电容滤波就可以得到高质量的三相电源。此芯片大幅提高了放大效率和开关频率，解决了rtds不能模拟大容量电网的问题，可方便模拟各种电网形态。

模拟功放的硬件系统中，第一级功放调制区选用tpa20000，该芯片能将正弦信号变成pwm信号，输出幅值为5v功率2w。第二级功放放大区采用tas5261数字功放芯片，它的大小仅为16x11x3.5mm，但能实现单相300w的输出，输出单相电压峰值50v内可调节，峰峰值为100v，频率在音频范围可调节。电源开关频率采用300khz，采用较小的电感、电容滤波就可以得到高质量的三相电源。

图2中由于tpa2000芯片设计为单电源低电压运用，输出管采用btl接法。控制信号使二个输出端out+和out-——相位相差180。采用占空比方式调制音频，无信号时占空比为50%，每个波形的最高幅度为5v。btl输出为两者之差，故输出电压可以提高为v_pp=10v。但输出的平均电流和平均电压都为零，仍旧没有输出。若两输出端的输出信号占空比不相同，两者相减就会有信号分量出现。由此可知，输出信号的差值为我们熟悉的pwm信号。

图5所示滤波器采用lcl拓扑结构，主要用于滤除高次谐波，确保波形不失真且不向电网引入谐波。

tpa2000是美国ti公司推出的第三代低电源d类放大器。与以前产品相比供电电压更低，本底噪声更低、，效率较高。tpa2000采用5v单电源供电，在r_l=3ω时，输出为2w，此时thd≤0.4%。当改用4ω负载，1w输出时，1khz输入信号时的thd+n不到0.08%。为了提高低电压时的开关输出功率，电路采用btl接法，因而输入端可以直接接入平衡输入信号。该芯片可不接输出低通滤波器使用．这不但方便用户，还降低了整个放大器的成本。这里我们将输出的pwm信号作为下级的驱动信号，不会采取滤波。

tas5261是高性能、集成的、低谐波损耗的单声道数字功放，可用来驱动4ω到8ω的扬声器。电路设计简单，仅需要一个简单的解调滤波器电路就能实现高质量、高效的声音放大。tas5261集成了完善的保护电路，来保护设备和扬声器免受破坏。保护特性包括短路保护、过流保护、电压保护和输入信号pwm丢失保护。这些保护可以根据需要选择。它的输出功率：8ω负载，谐波总量小于0.09%，50v直流电压时，输出125w；6ω负载，谐波总量10%时，50v直流电压时，输出220w；4ω负载，谐波总量10%时，50v直流电压时，输出315w。

为了简化系统设计，tas5261仅需要一个12v和一个50v的电源。内部电压调节器为数字电路和低压模拟电路提供稳定电源。注意，所有电路需要一个浮地的电源。高边的门极驱动，通过由少量的外围器件搭建的自举电路提供。

为展现出优秀的电和声音的特性，包含门极驱动和输出级的pwm信号被设计成典型的两个独立半桥。因此，每个半桥有独立的门极驱动电源，自举电路和外部电源。还有，附加的管脚vdd被用作内部大部分电路的电源。尽管电源都来自相同的12v电源，但是通过rc滤波器更好的分离开gvdd_x和vdd。这些rc滤波器提供了很好的隔离。特别注意的是要将去耦电容尽可能靠近与它连接的管脚。一定要避免电源管脚和去耦电容之间的分布电感。

12v的供电电源应选用低噪声、低输入阻抗的电源。同样，50v的供电电源也应如此。内部的上电复位电路消除了电源的上电顺序。还有，tas5261能够保护由于门极寄生电荷引起的故障。因此，在特定的范围内电压的变化率不必考虑。

采样反馈模块5主要用于采集输出信号，并将信号反馈至rtds的ad采集端，系统形成闭环，以消除误差。

实施例2

如实施例1所述电网模拟装置，rtds采用控制器替换，控制器通过编写程序来产生三相pwm信号，控制逆变桥导通，产生幅值为0v到电源电压的pwm波信号，经过lc低通滤波器滤除高次谐波分量。此时，控制器需要编写spwm算法或者svpwm算法程序。倘若，要得到电压和频率都可以灵活调节的三相电源，控制器编程的复杂程度会继续加大。该装置受功率管的开关频率的限制，频率不能很高，如igbt最高频率要求在50khz左右，但是它的电压等级和功率等级可以很高。因此，该拓扑主要用在对电能质量要求不高的场合，该场合要求高电压大功率，如电机调速、并网逆变器。

附图6拓扑2与拓扑1相比，控制器可以固化程序，控制器也可以编程，控制器编程量大大减少，控制器不需要编写复杂的程序，仅需要产生电压和频率可调节的正弦信号，这对与支持c语言开发的控制器而言，仅需要asin⁡(bt)便可以实现，其中a调节幅值，b调节频率。控制器输出的正弦信号，该信号经过数字功放芯片产生pwm调制波，然后再经后级功放芯片做功率放大。微控制器和数字功放芯片都可以产生高频的信号，所以该方法产生的pwm频率可以很高。由于数字功放芯片材料多采用mos管，因此它的耐压能力低，功率的输出往往受到限制。如果想要输出高电压，可以采用变压器升压。

电网模拟装置中，从正弦信号到功率放大后的pwm波形，采用两级形式，第一级将较低的正弦信号转化为5v的pwm信号；第二级将第一级的pwm波形作为驱动信号，然后进行功率放大，输出方式采用桥接式负载btl（bridgetiedload），两个功放输出端，功放的输出是另外一个输出端的的镜像，也就是说加在负载上的信号在相位上相差180°，所以最终得到的波形是原来单端输出的两倍电压。最终输出的波形，经过调理电路后，rtds的ad采集端采集输出信号，作为反馈信号，系统形成一个闭环，从而消除误差。