CN111464042A - 一种模块化高效隔离可编程电压源装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化高效隔离可编程电压源装置及其控制方法，包括所述控制单元根据接收的目标电压参数生成驱动指令信号，控制电压源发生单元输出相应的电压源；所述目标电压参数包括输出电压频率值、输出电压有效值和运行周期；所述输出电压频率值通过正弦波表产生指令信号，所述输出电压有效值通过PI调节产生幅值信号，根据指令信号与幅值信号产生电压瞬时值指令信号；将电压瞬时值指令信号与运行周期依次通过电压瞬时PI调节器和电流瞬时PI调节器，得到驱动指令信号。接入不同的测试设备，实现连续调节电压幅值、相位，电压渐变，步阶功能，同时可实现不同电压、频率、时间的设定，并可连续循环测试。

Description

一种模块化高效隔离可编程电压源装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及试验电源技术领域，特别是涉及一种模块化高效隔离可编程电压源装置及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着电力系统用电设备要求的不断提高，目前国家及省市级的设备检测机构和试验中心需要对电气设备进行功能检验，测试设备的高低压性能，频率耐受度，变频变压、低电压穿越等功能。目前，采用通过整流桥方式进行冲击试验，桥式整流器可以在90°与270°时试验而不必改变整流器极性，整流器半周电源电流额定值至少为发生器冲击电流驱动能力的两倍，以提供适当的运行安全系数；但是由于整流桥的开关时刻不能控制，功能单一，可控性不高，不能满足试验需求。

采用调压器和开关方式进行电源试验装置，通过控制调压器的输出电压高低实现电压的跌落、上升和中断，可以在与相位角无关的情况下来断开和闭合开关，调压器的输出电压可以通过人工调节，也可以通过电机自动调节，还可以用多路开关来选择自耦变压器的抽头来实现；但是这种方式能够实现简单的高低压试验，对电压变化快的装置，无法实现验证；也不能对测试装置进行电压闪变耐受、低电压穿越等功能。

采用调压器和功率放大器进行电源试验装置，根据试验需求在波形发生器内产生需要的波形，经过功率放大器进行放大，能够实现电压快速变化，输出功率较小，应用于小功率测试，但是不能满足大功率工业设备检验容量要求。

综上，发明人认为现有技术至少存在以下问题：按照公知技术用于低压设备的电源测试装置，功能单一，装置复杂，操作可控性差，对于大功率试验无法正常检测，无法全方面模拟电源状态，且同一套设备不能满足多项性能的测试的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种模块化高效隔离可编程电压源装置及其控制方法，该装置的输入端和输出端通过电压源发生单元完全隔离，控制单元根据接收的目标电压参数生成驱动指令信号，控制电压源发生单元输出相应的电压源，接入不同的测试设备，通过连续调节电压幅值、相位，实现电压渐变、步阶功能，同时可实现不同电压、频率、时间的设定，并连续循环测试。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种模块化高效隔离可编程电压源装置，包括：控制单元及电压源发生单元；

所述控制单元根据接收的目标电压参数生成驱动指令信号，控制电压源发生单元输出相应的电压源；

所述目标电压参数包括输出电压频率值、输出电压有效值和运行周期；所述输出电压频率值通过正弦波表产生指令信号，所述输出电压有效值通过PI调节产生幅值信号，根据指令信号与幅值信号产生电压瞬时值指令信号；

将电压瞬时值指令信号与运行周期依次通过电压瞬时PI调节器和电流瞬时PI调节器，得到驱动指令信号。

第二方面，本发明提供一种模块化高效隔离可编程电压源装置的控制方法，包括：

控制单元根据接收的目标电压参数生成驱动指令信号，控制电压源发生单元输出相应的电压源；

控制单元根据接收的由电压源发生单元发送的反馈信号，对驱动指令信号进行调整；

所述目标电压参数包括输出电压频率值、输出电压有效值和运行周期；所述输出电压频率值通过正弦波表产生指令信号，所述输出电压有效值通过PI调节产生幅值信号，根据指令信号与幅值信号产生电压瞬时值指令信号；

将电压瞬时值指令信号与运行周期依次通过电压瞬时PI调节器和电流瞬时PI调节器，得到驱动指令信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供数字化、智能化的交流测试电压源，实现三相独立分调、变频变压、做低电压穿越和变频变压的综合性电网模拟装置；用于对低压设备进行电压测试，对电力行业设备的保护检测、功能检测、性能检测装置，同时能够阻断被测试设备及模拟负载对电网的影响。

本发明实现三相电压、三相相位及幅值独立可调，通过控制界面进行参数设定，可连续调节电压幅值、相位，实现电压渐变、步阶功能，实现不同电压、频率、时间的设定，实现连续作循环测试。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的基于模块化高效隔离可编程电压源装置结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的电压源装置控制方法流程图；

图3为本发明实施例1提供的电压源装置控制接口图；

图4为本发明实施例1提供的单模块电压源发生单元拓扑图；

图5为本发明实施例1提供的电压源装置操作界面图；

图6为本发明实施例1提供的电源输出60HZ分调三相电压幅值图；

图7为本发明实施例1提供的电源输出50HZ分调三相相位图；

图8为本发明实施例1提供的电源输出调制输出波形图；

图9为本发明实施例1提供的电源输出电压跌落10ms波形图；

图10为本发明实施例1提供的电源输出电压频率、幅值突变波形图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种模块化高效隔离可编程电压源装置，该电压源装置串联在供电系统中，交流输入端经过电压源装置输出接入测试设备，电压源装置输入和输出侧经过电压源发生单元完全隔离；

该电压源装置包括控制单元及若干组电压源发生单元；

所述控制单元根据接收的目标电压参数生成驱动指令信号，控制电压源发生单元输出相应的电压源；

所述目标电压参数包括输出电压频率值、输出电压有效值和运行周期；所述输出电压频率值通过正弦波表产生指令信号，所述输出电压有效值通过PI调节产生幅值信号，根据指令信号与幅值信号产生电压瞬时值指令信号；

将电压瞬时值指令信号与运行周期依次通过电压瞬时PI调节器和电流瞬时PI调节器，得到驱动指令信号。

在本实施例中，所述控制单元与触摸屏人机界面单元、远程操控平台相连，采用本地/远程控制方式，基于总线的控制模式，通过触摸屏人机界面单元或远程操控平台将控制信号通过RS-485传至控制单元进行逻辑判定后，下发控制指令信号至各个电压源发生单元模块。

如图2所示，通过人机界面单元或远程操控平台发送的目标电压参数包括输出电压频率值、输出电压有效值和运行周期；

所述输出电压频率值通过正弦波表产生指令信号具体包括：输出电压频率值通过正弦波表产生正弦波，根据正弦波表将一个周期内的正弦波进行4096点的拆分，正弦波为U(t)＝U×sin(2πf/n)，正弦波表产生的指令信号通过锁相器与输入电压锁相；

由正弦波表产生的指令信号和PI调节产生的幅值信号进行相乘运算，其运算结果得到电压瞬时值指令信号；

对所述运行周期通过内部计算器进行周期时间计数，运行周期设定的时间值与电压瞬时值指令信号进行相乘运算后通过保护模块，经过电压瞬时PI调节器产生电压信号指令，然后通过电流瞬时PI调节器控制产生控制指令信号，通过运算得到SPWM电压脉宽信号驱动电压源发生单元中的IGBT器件产生设定的电压源电压波形。

在本实施例中，控制单元接收人机界面单元或者远程操控平台下发的电压数据参数信息，根据接收的信息发出控制指令，在控制单元内进行计算产生试验需要的电压波形，根据控制单元中指令电流运算单元形成的驱动指令电流控制电压源发生单元输出相应的电压源去实现电网电压、电网频率、电压不平衡等众多电网参数的变化；

同时，电压源发生单元输出侧通过电流霍尔检测信号和电压反馈信号反馈到控制单元，控制单元根据设定参数与实际输出参数的差值进行微调，提高输出精度指标；

输出的电压和电流信号分别反馈到电压瞬时PI调节器和电流瞬时PI调节器对指令信号进行修正，将检测的电压、电流信号反馈到保护模块对整个装置进行安全保护；另外，将输出电压检测的波形进行有效值rms计算，反馈到电压有效值PI调节器中进行指令修正，形成闭环系统，提高电压源装置的控制精度。

每组电压源发生装置完成反馈后，对指令电流运算单元进行精确修正电压源发生单元的输入参数，主动调整直流母线工作电压、保护参数设定以及监控值；控制单元的驱动指令电流利用光纤传输连接到每组电压源发生装置单元，将所有设备状态上传给控制单元系统，包括系统运行状态、功率模块运行状态、故障记录等，与控制单元系统协同完成必须的检测功能，并提供接口。

在本实施例中，所述控制单元接收人机界面单元或者远程操控平台下发的实验所需的电压波形的参数值，远程操控平台和本地人机界面单元可以相互切换，切换设置在本地人机界面单元操作。

如图3所示，控制单元通过DSP端口操作主控板上的诸多外围器件，实现数据的采集、分析处理以及PWM指令的输出；

控制单元包括多种接口，在本实施例中，包括但不限于输入电压采样接口、输入电流采样接口、输出电压采样接口、输出电流采样接口、直流电压采样接口、PWM输出接口、开关量输入接口、开关量输出接口、供电电源输入接口等；

控制单元与人机界面单元通过RS485通讯接口连接，对主控软件中的数据查看、参数修改、功能控制等都通过对人机界面单元的操作来实现，主控单元和人机界面单元组成的系统安装在模块化高效隔离可编程电压源装置内。

在本实施例中，所述若干组电压源发生单元并联扩容，每组电压源发生单元输入、输出端分别通过分支断路器并联在一起，输出端接入不同测试设备的输入端；在本实施例中，电压源发生单元三相输入，可实现直流、单相、两相、三相输出等。

如图4所示，每组电压源发生装置的输入侧通过断路器与电网电压相连，并联RC高频吸收装置，依次串联连接缓冲电阻和输入电抗器，避免接触器带载通断对装置以及设备的冲击；输出后接入主动式整流变流器，主动式整流变流器将交流电压转换成可控的直流电压；主动式整流变流器输出端接入模拟逆变器，经过模拟逆变器产生所需的试验电压源。

在本实施例中，主动式整流变流器和模拟逆变器相互隔离，电压源发生装置内部采用背靠背功率单元，运用IGBT功率模块为核心部件作为整流与逆变核心的拓扑结构，采用隔离式PWM整流和PWM逆变的两级变换架构模块化结构，通过扩展功率模块的级联数来扩大装置容量；

在本实施例中，在输入和输出侧分别并联RC高频吸收装置，用于吸收电压源装置电力电子器件开关频率纹波，避免影响电网和测试设备；在主动式整流变流器的输入侧所连接的RC高频吸收装置、缓冲电阻和输入电抗器，与模拟逆变器输出侧连接的输入电抗器、缓冲电阻和RC高频吸收装置一致；

在本实施例中，该装置全功率串接入400V线路中，可以产生0～480V电压信号；并且主控单元根据测试设备的容量大小，可自动分配每组电压源发生单元的工作容量。

在本实施例中，多功率单元并联冗余，按需启动，根据检测设备容量合理控制每一个模块的输出，容量在线可调，提高检测精确度，实际输出与设定输出之间误差≤1％；且单元模块故障不影响系统运行；

在本实施例中，通过本地与远程双重数字化控制，便于参数设置，装置输入输出采用隔离工作方式，安全可靠，同时内置高频吸收装置，对电网不会造成谐波污染。

实施例2

本实施例提供一种模块化高效隔离可编程电压源装置的控制方法，包括：

(1)将电压源装置串联在供电系统中，经过交流输入，依次经过输入断路器、电压源发生装置、输出断路器接入测试设备；

(2)控制单元接收由人机界面发送的实验所需电压源的目标电压参数，根据接收的目标电压参数生成驱动指令信号，控制电压源发生单元输出相应的电压源；

所述目标电压参数包括输出电压频率值、输出电压有效值和运行周期；所述输出电压频率值通过正弦波表产生指令信号，所述输出电压有效值通过PI调节产生幅值信号，根据指令信号与幅值信号产生电压瞬时值指令信号；

将电压瞬时值指令信号与运行周期依次通过电压瞬时PI调节器和电流瞬时PI调节器，得到驱动指令信号；

(3)电压源发生单元输出霍尔电压采样信号反馈到控制单元，控制单元根据反馈信号，对驱动指令信号进行调整；包括调整电压源发生单元的输入参数，直流母线工作电压、保护参数设定以及监控值等。

在本实施例中，所述控制单元根据接收的信息计算产生试验需要的电压波形，根据控制单元中指令电流运算单元形成的驱动指令电流控制电压源发生单元输出相应的电压源去实现电网电压、电网频率、电压不平衡等众多电网参数的变化。

在本实施例中，对任意电压源，通过控制电压的幅值和相位，可以产生各种不同需求的电压源；

通过数模转换形成相应的电压波形，实现电压渐变、步阶功能、不同电压、频率、时间的设定，以及连续输出方式或者暂降、骤升及相位跃变输出方式。

按照基准频率n倍(n为正整数)，根据需求将不同频率的正弦波的叠加，通过对各次电压进行幅值和相位更改、数值归一化，在一个基准周期内，进行N点数据还原，N为大于0的自然数，N越大计算结果越精确，分别更改基准电压、各次谐波电压幅值、相位值，表1为电压源编程表：

表1电压源编程表

基准频率	幅值	角度	弧度	0	1	2	3	4	5	.	.	N
													1
2
													.
.
													n

对电源源各个参数设定后，通过极坐标表将对应的幅值、相位转换为对应的X、Y坐标分量，实现波形的生成，表2为电压源极坐标对应表：

表2电压源极坐标对应表

根据测试需求，设定测试电压源的工作时间，每段时间最少可以设定0.01ms，即1/20工频周波，通过设定每段工作时间，每段起始段的初终幅值、频率和时间对测试设备进行电压试验。

如图5所示，通过对人机界面单元对需要的电压源波形进行相应的参数设定，根据试验需要的电压幅值、相位、工作时间、循环周期等参数进行写入，可编程电压源装置主控系统对人机界面单元下发的参数进行计算，得到SPWM电压脉宽信号去驱动IGBT产生设定的电压源电压波形，可以得到测试需要的任意电压源，如图6所示为可编程电压源输出频率为60HZ时，分调三相电压幅值输出电压波形；图7所示为可编程电压源输出频率为50HZ时，分调三相相位图；图8为可编程电压源输出调制输出波形图，设定每段电压的起始值、电压、频率渐变速率；图9为可编程电压源输出电压跌落10ms波形图，实现对测试装置进行电压跌落试验；图10为可编程电压源电压频率、幅值突变波形图，实现对测试装置频率、幅值渐变性能测试。

可见，本实施例实现通过对电压源各个幅值调整和相位角进行设置，通过转换产生需要的电压波形，可以满足不同测试要求的电压幅频需求。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种模块化高效隔离可编程电压源装置，其特征在于，包括：控制单元及电压源发生单元；

所述控制单元根据接收的目标电压参数生成驱动指令信号，控制电压源发生单元输出相应的电压源；

所述目标电压参数包括输出电压频率值、输出电压有效值和运行周期；所述输出电压频率值通过正弦波表产生指令信号，所述输出电压有效值通过PI调节产生幅值信号，根据指令信号与幅值信号产生电压瞬时值指令信号；

将电压瞬时值指令信号与运行周期依次通过电压瞬时PI调节器和电流瞬时PI调节器，得到驱动指令信号。

2.如权利要求1所述的一种模块化高效隔离可编程电压源装置，其特征在于，所述控制单元与人机界面单元、远程操控平台相连，采用本地或远程的控制方式，接收目标电压参数。

3.如权利要求1所述的一种模块化高效隔离可编程电压源装置，其特征在于，所述输出电压频率值通过正弦波表产生指令信号包括：所述输出电压频率值通过正弦波表产生正弦波，根据正弦波表将一个周期内的正弦波进行拆分，将得到的指令信号通过锁相器与输入电压锁相。

4.如权利要求1所述的一种模块化高效隔离可编程电压源装置，其特征在于，所述电压源发生单元输出反馈信号至控制单元，控制单元根据反馈信号对驱动指令信号进行调整。

5.如权利要求4所述的一种模块化高效隔离可编程电压源装置，其特征在于，

所述反馈信号包括电流霍尔检测信号和电压反馈信号反馈到控制单元。

6.如权利要求5所述的一种模块化高效隔离可编程电压源装置，其特征在于，所述电流霍尔检测信号和电压反馈信号分别反馈至电流瞬时PI调节器和电压瞬时PI调节器进行调整。

7.如权利要求1所述的一种模块化高效隔离可编程电压源装置，其特征在于，所述控制单元包括输入电压采样接口、输入电流采样接口、输出电压采样接口、输出电流采样接口、直流电压采样接口、PWM输出接口、开关量输入接口、开关量输出接口和供电电源输入接口。

8.如权利要求1所述的一种模块化高效隔离可编程电压源装置，其特征在于，所述电压源发生单元包括多组，多组电压源发生单元并联，每组电压源发生单元的输入端和输出端均通过断路器并联，输出端接入测试设备。

9.如权利要求1所述的一种模块化高效隔离可编程电压源装置，其特征在于，所述电压源发生单元输入端通过断路器与电网电压相连，并联RC高频吸收装置，依次串联连接缓冲电阻和输入电抗器和主动式整流变流器，主动式整流变流器将交流电压转换成可控的直流电压；主动式整流变流器输出端接入模拟逆变器，经过模拟逆变器产生电压源。

10.一种模块化高效隔离可编程电压源装置的控制方法，其特征在于，包括：

控制单元根据接收的目标电压参数生成驱动指令信号，控制电压源发生单元输出相应的电压源；

控制单元根据由电压源发生单元发送的反馈信号，对驱动指令信号进行调整；

所述目标电压参数包括输出电压频率值、输出电压有效值和运行周期；所述输出电压频率值通过正弦波表产生指令信号，所述输出电压有效值通过PI调节产生幅值信号，根据指令信号与幅值信号产生电压瞬时值指令信号；

将电压瞬时值指令信号与运行周期依次通过电压瞬时PI调节器和电流瞬时PI调节器，得到驱动指令信号。

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