本發(fā)明屬于電力狀況模擬領(lǐng)域，尤其是一種電網(wǎng)模擬裝置。

背景技術(shù)：

在研究分布式發(fā)電裝置、變流器與電網(wǎng)的相互影響時，常常需要電網(wǎng)處于一些特殊的工況之下，如電壓跌落、三相不平衡、頻率波動、含背景諧波等等。對于實際的實驗系統(tǒng)，由于電網(wǎng)的特殊性，往往很難使實際電網(wǎng)出現(xiàn)上述情況，這便給分布式發(fā)電裝置、變流器與電網(wǎng)的相互影響研究帶來了不便。

當研究對象包含電網(wǎng)時，我們會習(xí)慣的選擇電力系統(tǒng)仿真軟件，如matlab、rtds、psasp等?？墒擒浖抡娅@取的結(jié)果，往往不能夠準確反應(yīng)實際情況。仿真結(jié)果常用作定性分析，而不能定量的研究問題。另一方面，假如我們用實物做實驗，這種耗資是巨大的。尤其涉及到龐大的電力系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)做實驗不現(xiàn)實，特別是電力系統(tǒng)特殊工況的模擬。

該裝置與實際負載和變流器連接或與半實物仿真裝置連接可模擬多種電網(wǎng)形態(tài)，以定量研究電網(wǎng)與并網(wǎng)變流器或者負載之間的相互影響，解決當前研究過程中存在的軟件仿真精度差、實際電網(wǎng)試驗成本昂貴的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

如背景技術(shù)中的描述，面對這種情況，可以設(shè)計一種電網(wǎng)模擬裝置，將模擬電網(wǎng)與實際負載和變流器接到一起。實現(xiàn)各種電網(wǎng)特殊工況的模擬?？紤]到rtds豐富的電力系統(tǒng)模型庫與實時性，能實現(xiàn)與外界實物連接，適合做電網(wǎng)模擬。但實際實驗證實，rtds的功率輸出能力很低，不能夠滿足模擬大容量電網(wǎng)的要求。需要采用功率放大器放大輸出信號?？梢钥紤]采用a類推挽功放，但是a類功放發(fā)熱量驚人，為了有效處理散熱問題，a類功放必須采用大型散熱器，并且效率低。d類功率放大（數(shù)字功放）的工作原理有點類似開關(guān)穩(wěn)壓電源，它是通過控制功率管的開關(guān)(通／斷)來獲得功率轉(zhuǎn)換的。開關(guān)管在導(dǎo)通時雖然電流最大，但是管壓降卻很低。在截止時雖然電壓最大，電流卻等于零。通常d類放大的效率可達90％～95％。數(shù)字功放技術(shù)廣泛應(yīng)用于音響設(shè)備，主要是對音頻信號進行功率放大。數(shù)字功放芯片的開關(guān)頻率至少為200khz，是人耳聽到的音頻范圍（20hz～20khz）的10倍以上?？梢院芎玫膹?fù)現(xiàn)電網(wǎng)中的50khz以內(nèi)諧波。

本發(fā)明提供一種用于模擬多種形態(tài)的電網(wǎng)模擬裝置，該裝置即可與實際負載和變流器接到一起，也可與半實物仿真裝置連接，用于研究電網(wǎng)與并網(wǎng)變流器或者負載的相互影響。

本發(fā)明提供一種電網(wǎng)模擬裝置，其特征是，主要由實時數(shù)字仿真模塊、信號調(diào)制器、功率放大器、濾波器和采樣反饋模塊五部分組成，實時數(shù)字仿真模塊連接信號調(diào)制器，信號調(diào)制器連接功率放大器，功率放大器連接濾波器，濾波器連接采樣反饋模塊，采樣反饋模塊連接實時數(shù)字仿真模塊，濾波器輸出模擬信號；實時數(shù)字仿真模塊用于建立和仿真電網(wǎng)模型，產(chǎn)生正弦信號；功率放大器采用應(yīng)用數(shù)字功放技術(shù)的數(shù)字功放芯片，采用兩級放大形式，第一級放大由信號調(diào)制器將幅值較低的正弦信號轉(zhuǎn)化為5v的pwm信號，第二級放大由功率放大器將第一級的pwm波形作為驅(qū)動信號進行幅值和功率放大，其信號輸出方式采用橋接式負載btl（bridgetiedload），具有兩個功放輸出端，一個功放的輸出是另外一個輸出端的鏡像，兩輸出波形在相位上相差180°，幅值是單端輸出波形的兩倍；濾波器采用lcl拓撲結(jié)構(gòu)，用于濾除高次諧波，確保波形不失真且不向電網(wǎng)引入諧波；采樣反饋模塊用于采集濾波器輸出信號，并將其反饋至實時數(shù)字仿真模塊的ad采集端，系統(tǒng)形成閉環(huán)，消除誤差。

本發(fā)明電網(wǎng)模擬裝置用于模擬多種形態(tài)的電網(wǎng)，如電壓跌落、三相不平衡、頻率波動等。它將rtds仿真軟件和實物接到一起，具有可靠的半實物仿真功能；利用實時數(shù)字仿真模塊（rtds）建立和仿真電網(wǎng)模型，輸出某節(jié)點的電壓、電流波形，經(jīng)外部功率放大器放大波形的幅值和功率，保證波形不失真且不向電網(wǎng)引入諧波，同時可根據(jù)需要增加反饋環(huán)節(jié)。

進一步，電網(wǎng)模擬裝置主要包含rtds和功率放大器，rtds可以選用業(yè)內(nèi)認可的電力系統(tǒng)仿真軟件或者控制器，后者是自主開發(fā)的功率放大器，該功率放大器采用數(shù)字功放技術(shù)，其核心為數(shù)字功放芯片，它的開關(guān)頻率可達300khz。

進一步，功率放大器采用兩級形式，第一級將rtds輸出的正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)?v的pwm信號，第二級將pwm波形作為驅(qū)動信號，驅(qū)動數(shù)字功放芯片輸出pwm。輸出方式采用橋接式負載btl（bridgetiedload），互差180°的雙路輸出，最終得到的電壓是原來單端輸出的兩倍。

進一步，所述功率放大器對于實際電網(wǎng)，考慮電網(wǎng)諧波的范圍大概在10khz以內(nèi)，而數(shù)字功放芯片的開關(guān)頻率可達300khz，為前者的30倍；因此，該裝置引入的諧波可忽略。同時依靠300khz開關(guān)頻率,低通濾波器的設(shè)計就很簡單，并且對lc參數(shù)的要求很低，濾波器的體積也較小。濾波器采用lcl結(jié)構(gòu)，具體可參考附圖6。

進一步，所述的功率放大器，因數(shù)字功放芯片分散性很小，不同的數(shù)字功放芯片輸入相同的波形，濾波輸出后的波形幾乎一致，因此，三個單相放大器并聯(lián)構(gòu)建三相功率放大器，也可通過并聯(lián)功放芯片來提高功率等級。

進一步，所述功率放大器，其輸出電壓和功率受到數(shù)字功放芯片的限制，除了通過并聯(lián)功放芯片來提高功率等級，還可選用升壓變壓器提高輸出電壓。

本發(fā)明所述的實時數(shù)字仿真模塊英文縮寫為rtds。

本發(fā)明帶來的技術(shù)效果是：

1、該裝置采用應(yīng)用數(shù)字功放技術(shù)芯片的功率放大器，大幅提高了放大效率，解決了rtds不能模擬大容量電網(wǎng)的問題。

2、該裝置采用應(yīng)用數(shù)字功放技術(shù)芯片的功率放大器，大幅提高了開關(guān)頻率，能夠有效模擬實際電網(wǎng)中50khz以內(nèi)的諧波，頻率響應(yīng)范圍更寬，對于跌落、高次諧波等電網(wǎng)形態(tài)的模擬更加逼真。

3、該裝置采用應(yīng)用數(shù)字功放技術(shù)芯片的功率放大器，降低了l、c參數(shù)的要求，簡化了濾波器的設(shè)計，減小了濾波器的體積。

4、該裝置采用應(yīng)用數(shù)字功放技術(shù)芯片的功率放大器，由于其一致性好，構(gòu)建三相功率放大器更加容易。

5、該裝置可方便應(yīng)用升壓變壓器提高輸出電壓，通過并聯(lián)功放芯片提高輸出功率，有效克服了數(shù)字功放芯片對輸出電壓和功率的限制，可方便模擬各種形態(tài)電網(wǎng)。

6、能夠方便模擬電網(wǎng)特殊工況。

7、頻率響應(yīng)范圍寬，對于跌落、高次諧波等現(xiàn)象模擬逼真。

附圖說明

圖1是本發(fā)明原理框圖；

圖2是本發(fā)明tpa2000電路圖；

圖3是本發(fā)明tas5261電路圖；

圖4是本發(fā)明tas5261輸出功率與負載和電壓的關(guān)系圖；

圖5是本發(fā)明濾波器lcl拓撲結(jié)構(gòu)電路圖；

圖6是本發(fā)明實施例2的原理框圖；

圖中：1為實時數(shù)字仿真模塊；2為信號調(diào)制器；3為功率放大器；4為濾波器；5為采樣反饋模塊。

具體實施方式

參照附圖1-5，更詳細說明本發(fā)明的實現(xiàn)方式。

實施例1

本發(fā)明提供一種電網(wǎng)模擬裝置，主要由實時數(shù)字仿真模塊1、信號調(diào)制器2、功率放大器3、濾波器4和采樣反饋模塊5五部分組成，實時數(shù)字仿真模塊1連接信號調(diào)制器2，信號調(diào)制器2連接功率放大器3，功率放大器3連接濾波器4，濾波器4連接采樣反饋模塊5，采樣反饋模塊5連接實時數(shù)字仿真模塊1，濾波器4輸出模擬信號；實時數(shù)字仿真模塊1用于建立和仿真電網(wǎng)模型，產(chǎn)生正弦信號；功率放大器3采用應(yīng)用數(shù)字功放技術(shù)的數(shù)字功放芯片，采用兩級放大形式，第一級放大由信號調(diào)制器2將幅值較低的正弦信號轉(zhuǎn)化為5v的pwm信號，第二級放大由功率放大器3將第一級的pwm波形作為驅(qū)動信號進行幅值和功率放大，其信號輸出方式采用橋接式負載btl（bridgetiedload），具有兩個功放輸出端，一個功放的輸出是另外一個輸出端的鏡像，兩輸出波形在相位上相差180°，幅值是單端輸出波形的兩倍；濾波器4采用lcl拓撲結(jié)構(gòu)，用于濾除高次諧波，確保波形不失真且不向電網(wǎng)引入諧波；采樣反饋模塊5用于采集濾波器4輸出信號，并將其反饋至實時數(shù)字仿真模塊1的ad采集端，系統(tǒng)形成閉環(huán)，消除誤差。

本發(fā)明電網(wǎng)模擬裝置用于模擬多種形態(tài)的電網(wǎng)，如電壓跌落、三相不平衡、頻率波動等。它將rtds仿真軟件和實物接到一起，具有可靠的半實物仿真功能；利用實時數(shù)字仿真模塊（rtds）建立和仿真電網(wǎng)模型，輸出某節(jié)點的電壓、電流波形，經(jīng)外部功率放大器放大波形的幅值和功率，保證波形不失真且不向電網(wǎng)引入諧波，同時可根據(jù)需要增加反饋環(huán)節(jié)。

進一步，電網(wǎng)模擬裝置主要包含rtds和功率放大器，rtds可以選用業(yè)內(nèi)認可的電力系統(tǒng)仿真軟件或者控制器，后者是自主開發(fā)的功率放大器，該功率放大器采用數(shù)字功放技術(shù)，其核心為數(shù)字功放芯片，它的開關(guān)頻率可達300khz。

進一步，功率放大器采用兩級形式，第一級將rtds輸出的正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)?v的pwm信號，第二級將pwm波形作為驅(qū)動信號，驅(qū)動數(shù)字功放芯片輸出pwm。輸出方式采用橋接式負載btl（bridgetiedload），互差180°的雙路輸出，最終得到的電壓是原來單端輸出的兩倍。

進一步，所述功率放大器對于實際電網(wǎng)，考慮電網(wǎng)諧波的范圍大概在10khz以內(nèi)，而數(shù)字功放芯片的開關(guān)頻率可達300khz，為前者的30倍；因此，該裝置引入的諧波可忽略。同時依靠300khz開關(guān)頻率,低通濾波器的設(shè)計就很簡單，并且對lc參數(shù)的要求很低，濾波器的體積也較小。濾波器采用lcl結(jié)構(gòu)，具體可參考附圖6。

進一步，所述的功率放大器，因數(shù)字功放芯片分散性很小，不同的數(shù)字功放芯片輸入相同的波形，濾波輸出后的波形幾乎一致，因此，三個單相放大器并聯(lián)構(gòu)建三相功率放大器，也可通過并聯(lián)功放芯片來提高功率等級。

進一步，所述功率放大器，其輸出電壓和功率受到數(shù)字功放芯片的限制，除了通過并聯(lián)功放芯片來提高功率等級，還可選用升壓變壓器提高輸出電壓。

實時數(shù)字仿真模塊（rtds）為常用的電力系統(tǒng)仿真軟件，其具有豐富的電力系統(tǒng)模型庫與實時性，能實現(xiàn)與外界實物連接，適合做電網(wǎng)模擬。

功率放大器一級功放（功放調(diào)制）選用tpa20000芯片，該芯片能將正弦信號變成pwm信號，輸出幅值為5v，功率為2w。與以前產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品供電電壓更低，噪聲更小，效率更高。

功率放大器第二級功放（功放放大）采用自主開發(fā)的tas5261數(shù)字功放芯片，該芯片是一種高性能、集成的、低諧波損耗的單聲道數(shù)字功放芯片，其大小僅為16×11×3.5mm，其電路設(shè)計簡單，僅需要一個簡單的解調(diào)濾波器電路就能實現(xiàn)高質(zhì)量、高效的聲音放大，能實現(xiàn)單相300w的輸出，輸出單相電壓峰值50v內(nèi)可調(diào)節(jié)，峰峰值為100v，頻率在音頻范圍可調(diào)節(jié)。電源開關(guān)頻率采用300khz，采用較小的電感、電容濾波就可以得到高質(zhì)量的三相電源。此芯片大幅提高了放大效率和開關(guān)頻率，解決了rtds不能模擬大容量電網(wǎng)的問題，可方便模擬各種電網(wǎng)形態(tài)。

模擬功放的硬件系統(tǒng)中，第一級功放調(diào)制區(qū)選用tpa20000，該芯片能將正弦信號變成pwm信號，輸出幅值為5v功率2w。第二級功放放大區(qū)采用tas5261數(shù)字功放芯片，它的大小僅為16x11x3.5mm，但能實現(xiàn)單相300w的輸出，輸出單相電壓峰值50v內(nèi)可調(diào)節(jié)，峰峰值為100v，頻率在音頻范圍可調(diào)節(jié)。電源開關(guān)頻率采用300khz，采用較小的電感、電容濾波就可以得到高質(zhì)量的三相電源。

圖2中由于tpa2000芯片設(shè)計為單電源低電壓運用，輸出管采用btl接法。控制信號使二個輸出端out+和out-——相位相差180。采用占空比方式調(diào)制音頻，無信號時占空比為50%，每個波形的最高幅度為5v。btl輸出為兩者之差，故輸出電壓可以提高為v_pp=10v。但輸出的平均電流和平均電壓都為零，仍舊沒有輸出。若兩輸出端的輸出信號占空比不相同，兩者相減就會有信號分量出現(xiàn)。由此可知，輸出信號的差值為我們熟悉的pwm信號。

圖5所示濾波器采用lcl拓撲結(jié)構(gòu)，主要用于濾除高次諧波，確保波形不失真且不向電網(wǎng)引入諧波。

tpa2000是美國ti公司推出的第三代低電源d類放大器。與以前產(chǎn)品相比供電電壓更低，本底噪聲更低、，效率較高。tpa2000采用5v單電源供電，在r_l=3ω時，輸出為2w，此時thd≤0.4%。當改用4ω負載，1w輸出時，1khz輸入信號時的thd+n不到0.08%。為了提高低電壓時的開關(guān)輸出功率，電路采用btl接法，因而輸入端可以直接接入平衡輸入信號。該芯片可不接輸出低通濾波器使用．這不但方便用戶，還降低了整個放大器的成本。這里我們將輸出的pwm信號作為下級的驅(qū)動信號，不會采取濾波。

tas5261是高性能、集成的、低諧波損耗的單聲道數(shù)字功放，可用來驅(qū)動4ω到8ω的揚聲器。電路設(shè)計簡單，僅需要一個簡單的解調(diào)濾波器電路就能實現(xiàn)高質(zhì)量、高效的聲音放大。tas5261集成了完善的保護電路，來保護設(shè)備和揚聲器免受破壞。保護特性包括短路保護、過流保護、電壓保護和輸入信號pwm丟失保護。這些保護可以根據(jù)需要選擇。它的輸出功率：8ω負載，諧波總量小于0.09%，50v直流電壓時，輸出125w；6ω負載，諧波總量10%時，50v直流電壓時，輸出220w；4ω負載，諧波總量10%時，50v直流電壓時，輸出315w。

為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，tas5261僅需要一個12v和一個50v的電源。內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為數(shù)字電路和低壓模擬電路提供穩(wěn)定電源。注意，所有電路需要一個浮地的電源。高邊的門極驅(qū)動，通過由少量的外圍器件搭建的自舉電路提供。

為展現(xiàn)出優(yōu)秀的電和聲音的特性，包含門極驅(qū)動和輸出級的pwm信號被設(shè)計成典型的兩個獨立半橋。因此，每個半橋有獨立的門極驅(qū)動電源，自舉電路和外部電源。還有，附加的管腳vdd被用作內(nèi)部大部分電路的電源。盡管電源都來自相同的12v電源，但是通過rc濾波器更好的分離開gvdd_x和vdd。這些rc濾波器提供了很好的隔離。特別注意的是要將去耦電容盡可能靠近與它連接的管腳。一定要避免電源管腳和去耦電容之間的分布電感。

12v的供電電源應(yīng)選用低噪聲、低輸入阻抗的電源。同樣，50v的供電電源也應(yīng)如此。內(nèi)部的上電復(fù)位電路消除了電源的上電順序。還有，tas5261能夠保護由于門極寄生電荷引起的故障。因此，在特定的范圍內(nèi)電壓的變化率不必考慮。

采樣反饋模塊5主要用于采集輸出信號，并將信號反饋至rtds的ad采集端，系統(tǒng)形成閉環(huán)，以消除誤差。

實施例2

如實施例1所述電網(wǎng)模擬裝置，rtds采用控制器替換，控制器通過編寫程序來產(chǎn)生三相pwm信號，控制逆變橋?qū)?，產(chǎn)生幅值為0v到電源電壓的pwm波信號，經(jīng)過lc低通濾波器濾除高次諧波分量。此時，控制器需要編寫spwm算法或者svpwm算法程序。倘若，要得到電壓和頻率都可以靈活調(diào)節(jié)的三相電源，控制器編程的復(fù)雜程度會繼續(xù)加大。該裝置受功率管的開關(guān)頻率的限制，頻率不能很高，如igbt最高頻率要求在50khz左右，但是它的電壓等級和功率等級可以很高。因此，該拓撲主要用在對電能質(zhì)量要求不高的場合，該場合要求高電壓大功率，如電機調(diào)速、并網(wǎng)逆變器。

附圖6拓撲2與拓撲1相比，控制器可以固化程序，控制器也可以編程，控制器編程量大大減少，控制器不需要編寫復(fù)雜的程序，僅需要產(chǎn)生電壓和頻率可調(diào)節(jié)的正弦信號，這對與支持c語言開發(fā)的控制器而言，僅需要asin?(bt)便可以實現(xiàn)，其中a調(diào)節(jié)幅值，b調(diào)節(jié)頻率?？刂破鬏敵龅恼倚盘?，該信號經(jīng)過數(shù)字功放芯片產(chǎn)生pwm調(diào)制波，然后再經(jīng)后級功放芯片做功率放大。微控制器和數(shù)字功放芯片都可以產(chǎn)生高頻的信號，所以該方法產(chǎn)生的pwm頻率可以很高。由于數(shù)字功放芯片材料多采用mos管，因此它的耐壓能力低，功率的輸出往往受到限制。如果想要輸出高電壓，可以采用變壓器升壓。

電網(wǎng)模擬裝置中，從正弦信號到功率放大后的pwm波形，采用兩級形式，第一級將較低的正弦信號轉(zhuǎn)化為5v的pwm信號；第二級將第一級的pwm波形作為驅(qū)動信號，然后進行功率放大，輸出方式采用橋接式負載btl（bridgetiedload），兩個功放輸出端，功放的輸出是另外一個輸出端的的鏡像，也就是說加在負載上的信號在相位上相差180°，所以最終得到的波形是原來單端輸出的兩倍電壓。最終輸出的波形，經(jīng)過調(diào)理電路后，rtds的ad采集端采集輸出信號，作為反饋信號，系統(tǒng)形成一個閉環(huán)，從而消除誤差。