CN108347176A - 一种用于电力系统实时仿真的功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于电力系统实时仿真的功率放大器，所述功率放大器包括三相独立运行的放大线路；所述放大线路包括依次连接的高精度模拟采样电路、控制系统和强电电路；所述控制系统包括DSP控制器；所述强电电路包括背靠背变流器；所述功率放大器通过所述背靠背变流器中的单相输出变压器连接成的三相星型结构输出负载。本发明提供的技术方案大幅提高了输出功率等级，同时降低了器件的发热量。

Description

一种用于电力系统实时仿真的功率放大器
技术领域
本发明属于电力系统实时仿真领域，具体讲本发明提供一种用于电力系统实时仿真的功率放大器。
背景技术
功率放大器(英文名称:power amplifier)，简称"功放"，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。
作为电力系统功率在环仿真核心设备的功率放大器，最主要的功能是输出的强电电压跟随输入弱电信号实时变化，且电力系统仿真需要模拟电力系统的正常和故障工作状态，因此，功率放大器还要具备高频谐波注入、低频谐波扰动、不平衡电压输出等功能，以及较高的功率等级，对功率放大器主电路的拓扑设计和控制算法提出很高的技术要求。
目前市场上的产品为满足实时变化、高频谐波的要求，均采用线性功率半导体器件搭建拓扑结构，线性功率半导体器件的优势在于输出的强电电压能跟随弱电信号变化，时延短、输出频率变化范围广，且不存在谐波干扰；但由于线性功率半导体器件的技术水平限制，加之其工作在半导体器件的线性工作区，致使半导体本身发热严重，且发热量正比于流过功率增加，故采用线性功率半导体器件的功率放大器功率等级无法做到很高。另一方面，采用线性功率器件的功率放大器的主电路为简单的放大电路，无法实现功率回馈电网的控制算法，且当功率放大器外部连接发电设备时，输入功率放大器的功率只能靠内部耗能电阻消耗，而内部耗能电阻的阻止受电阻体积和发热的限制不能做的很大，需要降低功率使用，因此限制了功率放大器的使用场合。
线性功率半导体器件本身的特点限制功率放大器的使用，为此需要提供一种新型的功率放大器，以拓宽功率放大器的使用范围，提高功率放大的性能。
发明内容
为满足现有技术发展的需要，本发明提供一种功率放大器。
本发明提供的用于电力系统实时仿真的功率放大器，其改进之处在于，所述功率放大器包括三相独立运行的放大线路；所述放大线路包括依次连接的高精度模拟采样电路、控制系统和强电电路；
所述控制系统包括DSP控制器；所述强电电路包括背靠背变流器；
所述功率放大器通过所述背靠背变流器中的单相输出变压器连接成的三相星型结构输出负载。
进一步的，所述高精度模拟量采集电路包括前端传感器和信号调理电路；
所述信号调理电路用高精度14位AD采样芯片完成模拟数字量的转换，用数字信号处理器DSP的通讯接口将采集的数据向DSP传递。
进一步的，所述背靠背变流器包括依次连接的单相输入变压器、输入PWM整流器、直流母线支撑电容、输出逆变器和单相输出变压器；
三相线路的单相输出变压器星型接法连接输出负载；
三相线路的单相输入变压器星型接法连接三相电网母线。
进一步的，所述功率放大器输出三相对称正弦电压时，所述三相各自输出相位差为120度的正弦电压。
进一步的，所述功率放大器输出不平衡电压时，不平衡输出相独立改变输出电压，其余相线路正常输出电压。
进一步的，所述功率放大器的四象限工作模式包括：
所述功率放大器向负载输出功率时，A相输入PWM整流器工作在整流模式，功率从电网流向直流母线；
所述功率放大器的输出逆变器外接发电设备时，发电设备产生的功率通过输出逆变器注入功率放大器内部，A相PWM整流器的功率从直流母线向电网流动。
进一步的，所述控制系统控制所述背靠背变流器的单相输入PWM整流器和单相输出逆变器；
所述单相输入PWM整流器用谐振控制算法，直流母线电压环作为控制外环，将给定电流值和反馈电流的差输入电流谐振控制器；
所述单相输出逆变器用VF控制算法，电压控制环作为控制器外环，将电网交流侧电压与交流电压给定值的差输入电流谐振控制器。
进一步的，所述电流谐振控制器的传递函数如下式所示：
其中，Kp：为比例系数；KR：为谐振系数；W0：为谐振频率；s：复参数。
进一步的，所述单相输入PWM整流器的控制算法包括：
1)、将给定直流母线电压值udcref和实际直流母线电压udc的差输入PI控制器，PI控制器输出电流环的给定电流is *；
2)、将给定电流值is *和反馈电流iA的差输入电流谐振控制器G(s)，电流谐振控制器输出值作为变频器输出的电压参考值u0 *；
3)、按电压参考值u0 *输入的SPWM调试策略控制PWM整流器的开关管。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1、本发明提供的技术方案采用IGBT功率半导体器件代替线性功率器件，且设计了专用电路结构和特定控制算法提高了输出功率等级，同时降低了器件的发热量，功率等级大幅提高。
2、本发明提供的技术方案中的整流器具备四象限运行能力，实现了功率放大器中功率的100％四象限流动，且负载为发电机时能够吸收全部输入功率并回馈给电网，不需要安装耗能电阻，大大减小了体积、重量、发热量，又提高了输入功率利用率。
3、本发明提供的技术方案采用数字实时控制算法，使其具备传统线性功率半导体器件的电压实时变化、高频谐波注入、低频谐波模拟、不平衡电压发生等功能，足够满足电力系统实时仿真的需要。
附图说明
图1为本发明提供的功率放大器整体结构图；
图2为本发明提供的功率放大器的强电部分电路图；
图3为本发明提供的单相网侧整流器控制算法框图；
图4为本发明提供的单相输出逆变器控制算法框图；
图5为本发明提供的高精度模拟量采集系统采样原理图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图，以具体实施例的方式详细介绍本发明提供的技术方案。
本发明提供的功率放大器技术方案实施具体包括：
一、功率放大器整体结构如图1所示，所谓功率放大是指将输入的3相互相独立的±10V电压信号实时放大到±400V强电信号，并通过输出变压器连接成三相星型结构输出给负载。功率放大器整体工作包括以下3个步骤：
1)功率放大器是将输入的±10V弱电信号放大成强电信号，通过高精度模拟量采集系统采集弱电信号，如图5所示，包括前端传感器和信号调理电路，实现信号采集、低通滤波、幅值变换等，采用MAX1324高精度14位AD采样芯片完成模拟数字量的转换，通过DSP自带的XINTF通讯接口将采集后的数据高速传递给DSP。该模拟量采集系统具备200KHz采样频率，14位采样精度，10us以内的采样延时，并将采样得到的数字信号传递给控制系统。
2)三相各自配备独立的控制系统，控制系统将±10V输入电压线性放大到±400V，并作为输出逆变器控制策略的电压给定值，由输出逆变器控制算法控制输出逆变器输出该电压，同时，网侧整理器控制算法也在该控制系统内执行。
3)功率放大器将输入的弱电电压信号放大后输出给负载，同时实时采集输出电流大小，并转化为±10V范围内的弱电信号，并通过DA芯片实时输出给仿真计算机用于仿真使用。
二、功率放大器强电背靠背变流器电路拓扑，包括以下步骤：
1)本发明功率放大器强电电路拓扑结构如图2所示，主要包括A相输入PWM整流器、B相输入PWM整流器、C相输入PWM整流器、A相输出逆变器、B相输出逆变器、C相输出逆变器、直流母线支撑电容、单相输入变压器、单相输出变压器。
2)该强电拓扑中3相电网的A相与A相输入变压器连接，A相输入变压器与A相输入PWM整流器连接，A相输入PWM整流器与支撑电容相连，支撑电容与A相输出逆变器相连，A相输出逆变器与A相输出变压器相连；B相和C相电路拓扑结构与A相完全相同，A、B、C三相的单相输入变压器采用星型连接方案并同三相电网连接，A、B、C三相的单相输出变压器采用星型连接组成三相输出拓扑。
3)A、B、C三相采用三套独立的背靠背电路，当功率放大器输出三相对称正弦电压时，A、B、C三相各自输出相位相差120度的正弦电压；当需要输出不平衡电压时，不平衡输出相可以独立改变输出电压，其余正常输出电压。
以A相为例，A相输入PWM整流器具备四象限运行能力，当功率放大器需要向负载输出功率时，A相PWM整流器工作在整流模式，功率从电网流向直流母线；当功率放大器的输出逆变器外接发电设备时，功率从发电设备通过输出逆变器向功率放大器内部注入，此时A相PWM整流器的功率从直流母线向电网流动，将此功率回馈给电网，从而实现功率放大器的四象限工作模式。
三：单相背靠背变流器控制算法。
功率放大器由3台独立的单相PWM整流器采用星型接法连接到电网上，每台PWM整流器独立工作，分别为A、B、C三相提供直流母线电压并实现功率的四象限流动，这样便于获得更灵活的输出电压波形，并且控制速度和动态性能比三相一体式更好。背靠背三相变流器控制算法主要包括如图3所示的单相网侧整流器控制算法和如图4所示的单相输出逆变器控制算法。
单相网侧整流器采用谐振控制算法，谐振控制器的传递函数如下所示
其中，Kp代表比例系数，KR代表谐振系数，W0代表谐振频率。
逆变器侧控制算法采用VF控制算法，控制器外环为电压控制环，直接采集电网交流侧电压并同交流电压给定值进行比较，差值送给内环的电流谐振控制器，谐振控制器的传递函数与公式(1)相同。
1)A相PWM整流器控原理如图3所示，控制策略采用电压、电流双闭环控制策略，外环为直流母线电压环，给定直流母线电压值udcref和实际直流母线电压udc的误差输入到PI控制器，PI控制器输出为电流环的给定电流值is *。给定电流值is *和反馈电流iA做差后得到的误差结果输入电流谐振控制器G(s)，电流谐振控制器输出作为变频器输出电压参考值。该参考值u0 *输入给SPWM调试策略中，用来控制PWM整流器的开关管工作。电流控制器采用比例谐振控制器可以消除交流电流控制的静态误差并提高动态性能。
2)A相输出逆变器功能是输出正弦电压给负载，并且输出电压可以跟随弱电信号的指令变化。A、B、C三个输出逆变器的输出变压器采用星型接法组成3相系统，以A相为例，其控制策略如图4所示。电压外环为交流母线电压控制环，该控制环输出为电流控制环给定值，电流控制采用谐振控制策略，消除控制静态误差并提高动态性能。
实施例
如图1所示，本发明包括模拟采样电路、控制系统、强电电路三部分。如图2所示，本产品需要220V:220V的单相隔离变压器6台，输入侧3台，输出侧3台。输入侧3台单相变压器的其中一端分别和电网的A相、B相、C相通过导线连接，另一端通过导线连接到一起；输出侧3台单相变压器的一端通过导线连接到一起，另一端分别作为功放的A相、B相、C相输出；另外本发明强电部分需要IGBT24只，组成3个单相背靠背变流器；
模拟采样电路、控制系统是本发明的弱电部分，模拟采样电路需要ADC芯片来实现，PWM波的产生需要DSP来实现，控制信号通过电路板卡传输给IGBT，从而实现所需要的功能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于电力系统实时仿真的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器包括三相独立运行的放大线路；所述放大线路包括依次连接的高精度模拟采样电路、控制系统和强电电路；
所述控制系统包括DSP控制器；所述强电电路包括背靠背变流器；
所述功率放大器通过所述背靠背变流器中的单相输出变压器连接成的三相星型结构输出负载。
2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述高精度模拟量采集电路包括前端传感器和信号调理电路；
所述信号调理电路用高精度14位AD采样芯片完成模拟数字量的转换，用数字信号处理器DSP的通讯接口将采集的数据向DSP传递。
3.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述背靠背变流器包括依次连接的单相输入变压器、输入PWM整流器、直流母线支撑电容、输出逆变器和单相输出变压器；
三相线路的单相输出变压器星型接法连接输出负载；
三相线路的单相输入变压器星型接法连接三相电网母线。
4.如权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器输出三相对称正弦电压时，所述三相各自输出相位差为120度的正弦电压。
5.如权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器输出不平衡电压时，不平衡输出相独立改变输出电压，其余相线路正常输出电压。
6.如权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器的四象限工作模式包括：
所述功率放大器向负载输出功率时，A相输入PWM整流器工作在整流模式，功率从电网流向直流母线；
所述功率放大器的输出逆变器外接发电设备时，发电设备产生的功率通过输出逆变器注入功率放大器内部，A相PWM整流器的功率从直流母线向电网流动。
7.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述控制系统控制所述背靠背变流器的单相输入PWM整流器和单相输出逆变器；
所述单相输入PWM整流器用谐振控制算法，直流母线电压环作为控制外环，将给定电流值和反馈电流的差输入电流谐振控制器；
所述单相输出逆变器用VF控制算法，电压控制环作为控制器外环，将电网交流侧电压与交流电压给定值的差输入电流谐振控制器。
8.如权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，所述电流谐振控制器的传递函数如下式所示：
其中，Kp：为比例系数；KR：为谐振系数；W0：为谐振频率；s：复参数。
9.如权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，所述单相输入PWM整流器的控制算法包括：
1)、将给定直流母线电压值udcref和实际直流母线电压udc的差输入PI控制器，PI控制器输出电流环的给定电流is *；
2)、将给定电流值is *和反馈电流iA的差输入电流谐振控制器G(s)，电流谐振控制器输出值作为变频器输出的电压参考值u0 *；
3)、按电压参考值u0 *输入的SPWM调试策略控制PWM整流器的开关管。
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