开关型功率放大装置及模拟变流控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种开关型功率放大装置及模拟变流控制方法。

背景技术：

电机是一种以电磁场为媒介来实现机械能和电能相互转换的装置。按照能量转换方向不同分为电动机(即由电能转化为机械能)和发电机(即由机械能转换为电能)这两种工作模式，根据机械运动形式不同又可分为旋转电机和直线电机，本文涉及的是旋转电机，后文所提电机也均为旋转电机。

电机的工作特性除了与其本体参数和工艺有关之外，还主要由控制驱动装置决定。不同应用领域对电机控制驱动装置的技术要求各不相同，综合来看主要有以下几个方面：1)优良的转矩控制性能；2)宽广的调速范围；3)宽范围的高效率运行区域；4)高功率密度；5)优良的环境适应性和环保性；6)高可靠性。为了保证电机控制驱动装置能够满足上述种种技术要求，需要对其在原理样机研发和产品测试阶段开展大量的测试试验。

传统对电机控制驱动装置的测试一般采用电机对拖台架的方式进行，其中一台电机作为被测电机控制驱动装置的被控对象与其连接，另一台同轴电机用来模拟机械负载或能量源，同时连接测功机进行机械参数的测量。这种测试方案的优势在于电机为实物，能够反应较为真实的工作特性，测试精度较高。但却存在下列问题：1)电机台架高速旋转的机械部件存在一定的安全隐患；2)难以进行极限工况及各种故障情况测试；3)对模拟机械负载的电机控制特性要求很高；4)难以灵活改变测试电机类型和参数。

针对上述问题，一种基于硬件在环(Hardware In the Loop，简称“HIL”)概念的测试方案被提出。该方案利用高速实时数字仿真机快速采样来自电机控制器的控制信号，并将其作为输入进行电机驱动器以及电机本体的数学模型的实时解算，再将解算出的电机电气和机械参数返回给电机控制器，从而形成一个完整的闭环控制系统。基于“HIL”的测试方案具有灵活高效，测试工况范围广等优点。但由于仅仅只有电机控制驱动装置的控制部分即电机控制器为实物，而直接与电机进行功率交换的电机驱动器则是以数学模型的形式存在于实时数字仿真机中，故而该测试方案是不够完整的，还需额外开展针对电机控制驱动装置的功率驱动部分(即电机驱动器)的测试工作。

若将高速实时数字仿真机解算出的电机电气外特性参数通过一台功率可双向流动的功率放大装置进行功率放大，在功率放大装置和被测电机控制驱动装置的功率接口上产生实际大小的电压和/或电流，就实现了功率级的电机电气外特性的模拟，从而具备对电机控制驱动装置进行完整的功率级测试的功能，该方案又称为功率硬件在环(Power Hardware In the Loop，简称“PHIL”)测试。基于“PHIL”的测试方案继承了“HIL”测试方案的灵活高效的优点，同时从“HIL”测试方案只能进行信号级测试拓展到可以开展功率级的测试，使得测试的范围更广、结果更加准确可靠。

尽管电机控制驱动装置的“PHIL”测试方案在理论上具有很多优势，然而在实际应用中，其准确性和有效性在很大程度上会受到功率放大装置性能的限制。现有技术中所涉及的“PHIL”测试方案中的功率放大装置控制带宽小，动态响应时间长，对被测电机控制驱动装置的适应能力差，不能适应不同技术特性的被测电机控制驱动装置，进而导致实用性较差。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种开关型功率放大装置及模拟变流控制方法，提高了功率放大装置的控制带宽，缩短了动态响应时间，提高了适应不同技术特性的被测电机控制驱动装置的能力，实用性强。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种开关型功率放大装置，包括：模拟侧变流电路、直流母线电路与电源侧变流电路；

所述模拟侧变流电路经所述直流母线电路与所述电源侧变流电路连接；

所述模拟侧变流电路采用共直流母线多桥臂及滤波电抗并联拓扑结构，且与被测电机控制驱动装置进行功率连接；其中，所述模拟侧变流电路包括输入滤波器、并联滤波电感与三相两电平并联桥臂；所述输入滤波器经所述并联滤波电感与所述三相两电平并联桥臂连接；所述输入滤波器为LC结构，所述并联滤波电感侧为电容，所述三相两电平并联桥臂由3n只桥臂在直流侧并联而成，每一相各有n只桥臂，其中n大于或者等于2；每只桥臂的中点均串联滤波电感，分相并联后与所述输入滤波器共同等效构成LCL型滤波器；所述三相两电平并联桥臂中的开关为电力电子全控型器件。

本发明的实施方式还提供了一种模拟变流控制方法，包括：

模拟变流控制电路生成ABC三相的调制波，并输出至各相的比较单元；其中，每相各有n个比较单元，每相各对应n只桥臂，每个比较单元对应一只桥臂，n为大于或者等于2；

每相对应的比较单元的正端都接收基准载波；其中，所述ABC三相的基准载波相同；

所述比较单元将所述基准载波分别移相360°/n×(a-1)后输送至每相对应的n个比较单元的负端；其中，a为每相对应的比较单元的排列顺序；

每相对应的比较单元的正端输出为对应桥臂上管的脉冲宽度调制PWM信号，负端输出为对应桥臂下管的PWM信号。

本发明实施方式相对于现有技术而言，开关型功率放大装置中模拟侧变流电路采用共直流母线多桥臂及滤波电抗并联拓扑结构，降低了模拟侧变流电路的等效输出阻抗从而提高了功率放大装置的控制带宽；而且，基于开关型功率放大装置中模拟侧变流电路采用共直流母线多桥臂及滤波电抗并联拓扑结构，采用载波移相调制方法，可提高模拟侧变流电路的等效开关频率，从而减少了功率放大装置的动态响应时间；同时，通过在模拟侧变流电路采用LCL型滤波器，避免了功率放大装置与被测电机控制驱动装置可能存在对同一支路电流控制上的冲突问题，从而提升了功率放大装置对各种技术特性的被测电机控制驱动装置的适应能力，实用性强。

另外，所述电源侧变流电路，用于对功率进行双向流动控制，实现能量回馈；所述开关型功率放大装置工作时的功率等级小于预设功率时，所述电源侧变流电路采用两电平三相半桥变流拓扑结构，所述电源侧变流电路包括分别对应三相的3只两电平桥臂、与每相桥臂中点连接的并网滤波器、并网开关以及电源侧变流控制单元；所述开关型功率放大装置工作时的功率等级大于或者等于所述预设功率时，所述电源侧变流电路的拓扑结构与所述模拟侧变流电路的拓扑结构一致；其中，所述并网滤波器为L型滤波电感，或者为LCL型滤波器，这样，可以节约成本。

另外，所述直流母线电路包括：直流母线电容、泄放电路与软启动电路；所述直流母线电容并联在直流母线两端；所述泄放电路并联在所述直流母线电容两端，用于在完成测试任务后或者直流电压越限时释放所述直流母线电容上存储的能量；所述软启动电路串联在处于所述直流母线电容电源侧的直流母线上，用于限制所述直流母线电容的充电电流在预设范围内。这样，可以使得功率放大装置工作更安全、可靠。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式中基于功率硬件在环的电机控制驱动测试系统框图；

图2是是根据本发明第一实施方式中开关型功率放大装置的结构示意图；

图3是是根据本发明第一实施方式中开关型功率放大装置的电路结构示意图；

图4是是根据本发明第一实施方式中的载波移相调制原理框图；

图5是是根据本发明第一实施方式中开关型功率放大装置的开机启动方法流程图；

图6是是根据本发明第一实施方式中开关型功率放大装置的运行与退出方法流程图；

图7是是根据本发明第二实施方式的模拟变流控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明实施方式涉及的开关型功率放大装置可以应用于如图1所示的基于功率硬件在环(PHIL)的电机控制驱动测试场景中。其中，电机控制驱动测试系统由上位机、实时仿真机和开关型功率放大装置组成。其中上位机用于进行待模拟电机的类型和参数设定，测试用例的编辑、管理和配置，以及测试流程的监控。实时仿真机用于进行电机以及转子位置检测的模型解算，负责测试用例的实际执行，生成的位置参数通过信号级接口发送给电机控制驱动装置中的控制器，生成的电流参考值作为命令下发至开关型功率放大装置。开关型功率放大装置接收来自实时仿真机的电机电流参考值信号，并通过电力电子控制在与电机驱动器连接的功率接口上产生等值的实际电流，实现对电机电气外特性的模拟。

如图2所示，本发明实施方式中的开关型功率放大装置包括功率主电路和控制保护电路两部分。所述的功率主电路包括：模拟侧变流电路、直流母线电路与电源侧变流电路；模拟侧变流电路经直流母线电路与电源侧变流电路连接。所述的控制保护电路包括模拟侧控制电路、电源侧控制电路、直流侧控制电路、保护电路和通信接口电路。当开关型功率放大器正常运行时，功率主电路的各部分都由对之对应的控制电路进行控制，当检测到故障情况出现，则由保护电路获得控制权统一进行保护处理。供电电源与辅助电源用于为开关型功率放大装置供电。

功率放大装置的控制保护电路可以采用数字电路实现，其核心控制器件可选用数字信号处理器(DSP)，或ARM(Advanced RISC Machines)处理器，或现场可编程门级阵列(FPGA)实现。另外控制保护电路可以包括采样调理电路、模拟数字转换器(ADC)与通信接口电路。所述控制保护电路包括模拟侧控制电路、电源侧控制电路、直流侧控制电路和保护电路四个部分。模拟侧控制电路、电源侧控制电路、直流侧控制电路和保护电路的功能会在下文中介绍。

本发明的第一实施方式涉及一种开关型功率放大装置，具体结构如图3所示，包括：模拟侧变流电路100、直流母线电路110与电源侧变流电路120。

模拟侧变流电路100经直流母线电路110与电源侧变流电路120连接。其中，模拟侧变流电路100采用共直流母线多桥臂及滤波电抗并联拓扑结构，且与被测电机控制驱动装置进行功率连接；其中，模拟侧变流电路100包括模拟输入开关101、输入滤波器102、并联滤波电感103与三相两电平并联桥臂104；输入滤波器102经所述并联滤波电感103与所述三相两电平并联桥臂104连接；所述输入滤波器102为LC结构，模拟输入开关101侧为电感，输入侧为电感，并联滤波电感103侧为电容，所述三相两电平并联桥臂104由3n只桥臂在直流侧并联而成，每一相各有n只桥臂，其中n大于或者等于2；每只桥臂的中点均串联滤波电感，分相并联后与所述输入滤波器102共同等效构成LCL型滤波器；所述三相两电平并联桥臂104中的开关为电力电子全控型器件(内含反并联二极管)，三相两电平并联桥臂104中的开关类型既可以为中大功率场合常用的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，又可以为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，还可以为相对更新的集成门极换流晶闸管(IGCT)等；三相两电平并联桥臂104中的开关的材料既可为常规的硅材料，又可为宽禁带的碳化硅(SiC)或砷化镓(GaAs)等。并联滤波电感103中包括3个并联的电感。输入滤波器102包括3个电感与3只等效电容，3只等效电容呈三角形连接，或者呈星型连接，每只等效电容根据实际情况由单只或多只电容器串并联构成。

基于上述的开关型功率放大装置，功率主电路的模拟变流控制方法中采用的载波移相调制方式，具体如图4所示，具体工作过程如下：

首先，模拟变流控制电路生成ABC三相的调制波，并输出至各相的比较单元；其中，每相有n个比较单元，对应于n只并联桥臂。如图4所示，在进行载波移相调制时，A相调制由A相调制单元完成。A相调制单元中的比较单元接收A相调制波，其中，A相调制单元包括n个A相比较单元：A相比较单元1、A相比较单元2、......、A相比较单元n，A相比较单元1为A相的首位比较单元。B相调制单元、C相调制单元与A相调制单元类似，在此不再赘述。每一相各有n只桥臂，每个比较单元包括一个桥臂。

接着，每相对应的比较单元接收基准载波；其中，ABC三相的基准载波相同。比较单元将接收的基准载波分别移相360°/n×(a-1)后输送至每相对应的n个比较单元的负端；其中，a为每相对应的比较单元的排列顺序，比如A相比较单元n的排列顺序为n，A相比较单元1的排列顺序为1、A相比较单元2的排列顺序为2等等。每相比较单元的正端输出为对应桥臂上管的脉冲宽度调制(PWM)信号，负端为对应桥臂下管的PWM信号。比如，A相比较单元1的负端接收基准载波，不需移相，A相比较单元1正端输出401为对应桥臂上管的PWM(脉冲宽度调制)信号,402为下管PWM信号；A相比较单元2将基准载波移相360°/n×1后输送至A相比较单元2的负端，A相比较单元2正端输出403为对应上管的PWM信号，负端输出404为下管PWM信号；......；A相比较单元n将基准载波移相360°/n×(a-1)后输送至A相比较单元n的负端，A相比较单元n的正负端分别输出对应桥臂上下管的PWM信号。

相对于现有技术而言，开关型功率放大装置中模拟侧变流电路采用共直流母线多桥臂及滤波电抗并联拓扑结构，降低了模拟侧变流电路的等效输出阻抗从而提高了功率放大装置的控制带宽；而且，基于开关型功率放大装置中模拟侧变流电路采用共直流母线多桥臂及滤波电抗并联拓扑结构，采用载波移相调制方法，可提高模拟侧变流电路的等效开关频率，从而减少了功率放大装置的动态响应时间；同时，通过在模拟侧变流电路采用LCL型滤波器，避免了功率放大装置与被测电机控制驱动装置可能存在对同一支路电流控制上的冲突问题，从而提升了功率放大装置对各种技术特性的被测电机控制驱动装置的适应能力，实用性强。

进一步地，电源侧变流电路120用于对功率进行双向流动控制，实现能量回馈，维持直流母线电容111电压的稳定，可以节约成本。具体地说，所述开关型功率放大装置工作时的功率等级小于预设功率(比如50kW)时，所述电源侧变流电路120可以采用两电平三相半桥变流拓扑结构，所述电源侧变流电路120包括分别对应三相的3只两电平桥臂123、与每相桥臂中点连接的并网滤波器122、并网开关121以及电源侧变流控制单元(未示出)；并网滤波器122可选用L型滤波电感，也可采用LCL型滤波器。在本实施方式中，并网滤波器122选用L型滤波电感。所述开关型功率放大装置工作时的功率等级大于或者等于上述的预设功率时，所述电源侧变流电路120的拓扑结构与所述模拟侧变流电路100的拓扑结构一致，电源侧变流电路120的控制方法与所述模拟侧变流电路100的控制方法一致。

进一步地，直流母线电路110包括：直流母线电容111、泄放电路与软启动电路；直流母线电容111并联在直流母线两端；泄放电路并联在直流母线电容111两端，用于在完成测试任务后或者直流电压越限时安全快速地释放直流母线电容111上存储的能量；软启动电路串联在处于直流母线电容111电源侧的直流母线上，用于限制直流母线电容111的充电电流在预设范围内。其中，泄放电路由串联的泄放开关112和泄放电阻113构成。软启动电路由并联的软启动开关114和软启动电阻115构成。

功率放大装置的控制保护电路采用数字电路实现，其核心控制器件可选用数字信号处理器(DSP)，或ARM(Advanced RISC Machines)处理器，或现场可编程门及阵列(FPGA)实现，另外包括采样调理电路、模拟数字转换器(ADC)，通信接口电路。所述控制保护电路按照功能分为模拟侧控制电路、电源侧控制电路、直流侧控制电路，和保护电路四个部分。

在本实施方式中，模拟侧控制电路用于实现模拟侧变流电路对电机电流参考信号的快速准确跟踪控制。模拟侧控制电路先对并联滤波电感总电流的参考值和实际值的差值进行比例积分(PI)控制，产生的调制波经过限幅后再进行载波移相调制，即对应同一相的n只并联桥臂的载波信号的相位按照桥臂序号依次相差360°/n，然后与该相的调制波相比较生成相应的脉宽调制信号。

电源侧控制电路用于维持直流母线电压的稳定并保证电源侧近似为单位功率因数。电源侧控制外环采用比例积分控制方法，其输出为电流内环的直轴(d轴)分量参考值，电流外环的交轴(q轴)分量参考值为零。当功率等级较小时(比如小于50kW)，电源侧控制采用基于两相旋转坐标(dq坐标)的比例积分控制方法，调制方法为经典的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)。当功率等级较大时(比如大于等于50kW)，电源侧控制中的电流内环与模拟侧控制方法。

直流侧控制电路以预设的时序和条件控制直流侧软启动开关和泄放开关的开通或闭合，保证直流侧软启动电路和泄放电路的正常工作。

保护电路具备过温、过压、电流、短路等保护功能，以保证上述功率放大装置工作于预设范围之内，免受因外界或内部故障而可能导致的损坏。

下面介绍一下本实施方式中开关型功率放大装置的开机启动方法，具体如图5所示，包括以下步骤：

步骤501，自检并设置各开关的初始状态。具体地，开机后功率放大装置首先进行自检，并设置其各电气开关为初始位置，具体为：如图3所示，分断电源2并网开关121，分断软启动开关114，分断模拟输入开关101。

步骤502，判断是否存在错误。若是，进入步骤503，否则进入步骤504.若开闭电气开关操作不正常或发生其他错误，则报警并将故障信息上报至实时仿真机，然后循环等待用户的关机或重启命令。

步骤503，上报自检通过信息。具体地，若自检过程中无任何故障，则将自检通过信息上报至实时仿真机。

步骤504，报警并上报自检故障信息。

步骤505，循环等待关机或者重启指令。

步骤506，闭合并网开关并上报状态。闭合并网开关，进入软启动工作状态，并上报状态给实时仿真机。

步骤507，判断直流电压是否越限Vdc1。若是，则进入步骤508，否则继续执行步骤507。具体地，检测直流电容电压，若直流电容电压的值没有超过软启动电压限值Vdc1，则重复步骤507。

步骤508，闭合软启动开关并上报状态。若直流电容电压超过软启动电压限值Vdc1，则闭合软启动开关114，进入硬启动工作状态，并上报实时仿真机。

步骤509，判断直流电压是否越限Vdc2。若是，则进入步骤510，否则继续执行步骤509。具体地，检测直流电容电压，若其值没有超过硬启动电压限值Vdc2，则重复步骤509。

步骤510，启动并执行电源侧变流控制。若直流电容电压超过软启动电压限值Vdc2，则启动并执行电源变流控制，进入受控整流工作状态，并上报实时仿真机。

步骤511，判断直流电压是否进入额定范围。若是，执行步骤512，否则继续执行步骤511。具体地，检测直流电容电压，若其值没有进入额定范围，则重复步骤511。

步骤512，闭合模拟输入开关。具体地，若直流电容电压值已进入额定范围，则闭合模拟输入开关101。

步骤513，进入热备用工作状态并上报实时仿真机。

下面介绍一下本实施方式中开关型功率放大装置的运行与退出方法，具体如图6所示，包括以下步骤：

步骤601，判断是否出现故障。若是，则执行步骤602，否则执行步骤603。

步骤602，报警并上报运行故障信息。具体地，将故障信息上报至实时仿真机。

步骤609，封闭所有PWM信号。

步骤610，闭合软启动开关分断所有其他开关。

步骤611，关闭所有控制并上报状态。具体地关闭所有控制电路。

步骤603，判断是否收到关机命令。若是，则执行步骤604，否则，执行步骤605。若没有出现故障，则判断是否接收到正常关机命令，若收到关机命令则执行步骤604，否则跳至步骤605。

步骤604，设置电流参考由当前值逐渐至零。具体地，设置电流参考值从当前值按照指定变化率逐渐降至零。

步骤606，执行模拟侧变流控制。

步骤607，执行电源侧变流控制。

步骤605，更新来自实时仿真机的电流参考值。

步骤612，执行模拟侧电流控制。

步骤613，执行电源侧电流控制。

步骤608，判断模拟侧电流是否小于阈值Ictrl1。若是，则执行步骤609，否则，执行步骤601。

本发明的第二实施方式涉及一种模拟变流控制方法，应用于第一实施方式中的开关型功率放大装置，具体流程如图7所示，包括以下步骤：

步骤701，生成ABC三相的调制波。具体地，模拟变流控制电路生成ABC三相的调制波，并输出至各相的比较单元；其中，每相各有n个比较单元，每相各对应n只桥臂，每个比较单元对应一只桥臂，n为大于或者等于2。

步骤702，接收基准载波。具体地，每相对应的比较单元的正端都接收基准载波；其中，ABC三相的基准载波相同。

步骤703，载波移相调制。根据上述调制波与上述基准载波进行载波移相调制。具体地，比较单元将接收的基准载波分别移相360°/n×(a-1)后输送至每相对应的n个比较单元的负端；其中，a为每相对应的比较单元的排列顺序；每相对应的比较单元的正端输出为对应桥臂上管的脉冲宽度调制(PWM)信号，负端输出为对应桥臂下管的PWM信号。比如，比如，A相比较单元1的负端接收基准载波，不需移相，A相比较单元1正端输出401为对应桥臂上管的PWM(脉冲宽度调制)信号,402为下管PWM信号；A相比较单元2将基准载波移相360°/n×1后输送至A相比较单元2的负端，A相比较单元2正端输出403为对应上管的PWM信号，负端输出404为下管PWM信号；......；A相比较单元n将基准载波移相360°/n×(a-1)后输送至A相比较单元n的负端，A相比较单元n的正负端分别输出对应桥臂上下管的PWM信号。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。