一种功率放大器宽频高精度控制方法与流程

本发明属于四象限数模混合仿真、宽频高精度受控电压源、电力电子等，具体涉及一种适用于数模混合仿真等应用的功率放大器宽频高精度控制方法。

背景技术：

1、数模混合仿真技术，融合实时仿真的便捷性及物理动模仿真的真实性，近年来得到研究人员的广泛关注。数模混合仿真系统可以轻易搭建真实环境难以实现的极端和故障环境，使得物理设备在投入真实系统使用之前，能够针对各种运行工况进行充分的研究与测试，能够加速研发过程，实现物理装备与电网的交互作用测试。

2、在实现数模混合仿真的过程中包含许多技术难题，特别是对于数模混合仿真接口的设计，此接口特性对系统的仿真结果起决定性作用，是数模混合仿真研究的重点。在新型电网及关键电力电子装备研究中，伴随着频带宽、暂态响应快、电压高、容量大等特点，如谐波抑制、快速故障诊断与切除、宽频振荡研究等。对于数模混合仿真要模拟的这一对象，迫切需要研制具备高输出电压、高带宽、高响应速度、高压摆率等特点的功率放大器，用于复现数字仿真的实时信号，更好地支撑关键电力电子装备的研制。

3、对于高输出电压应用场景，目前主要方案包括级联开关型功率放大器(chb开关型功率放大器)和模块化多电平开关型功率放大器(mmc开关型功率放大器)。与chb开关型功率放大器相比，mmc无需提供隔离供电，更易于实现四象限运行，但目前对mmc开关型功率放大器的控制方法研究仍较少，且无法满足高带宽、高响应速度等需求。

技术实现思路

1、本发明是为了解决目前对mmc开关型功率放大器的控制方法研究缺失，且无法满足高带宽、高响应速度的需求，提供了一种功率放大器宽频高精度控制方法。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种功率放大器宽频高精度控制方法，功率放大器包括模块化多电平变换器和线性功率放大器lpa；

4、该方法包括对开关功放的控制及线性功放的控制；开关功放中每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂含有一个电感和n个结构相同的全桥子模块堆叠而成，每个全桥子模块含有一个全桥功率单元与一组电容器，其交流侧经变压器接至电网，直流侧作为开关功放输出，开关功放输出u1与线性功放输出u2串联，作为功率放大器的总输出uout，即功率放大器输出电压uout；

5、开关功放的控制包含外环控制与内环控制，外环控制包括输出电压控制环、总体能量平衡控制环、相间能量平衡控制环、桥臂间能量平衡控制环，内环控制包括环流控制环、交流电流控制环；

6、该方法包括下述步骤：

7、步骤一：执行输出电压控制环，将uref作为输出电压给定信号与检测的功率放大器输出电压uout二者做差后的差值送入pi控制器，得到直流电流控制量idc*，同时检测负载电流iout，将其作为前馈量与idc*相加，并乘以1/3，得到各相的直流环流控制指令电流idc,j*，其中j表示a、b、c三相；

8、步骤二：执行桥臂间能量平衡控制环，将各相上桥臂电容电压平均值uc_avg_upj作为给定信号，下桥臂电容电压平均值uc_avg_lowj作为反馈信号，二者之差经pi控制器后乘以cos(ωt+θj)，得到各相的基频环流控制指令ic1,j*，与直流环流控制指令电流idc,j*相加后得到环流控制环的给定信号ic,j*；其中，ω为电网电压频率，θj为j相电网电压相位，t为时间；

9、步骤三：执行环流控制环，检测开关型功率放大器各相环流ic,j作为反馈，与环流控制环的给定信号ic,j*做差后送入比例谐振控制器(pr控制器)pr(ω)后得到一号数值，

10、检测开关型功率放大器各相环流ic,j作为反馈，与环流控制环的给定信号ic,j*做差后经比例控制器(p控制器)进行控制后得到二号数值，一号数值与二号数值相加后得到各相共模电压调节量δucm,j，同时为了加快输出电压控制速度，将uref乘以1/2后与δucm,j相加，得到各相共模电压参考ucm,j；

11、步骤四：执行总体能量平衡控制环，以uc作为给定信号，监测各子模块电容器的电压usm，计算开关型功率放大器中所有全桥子模块的电容电压平均值∑usm/6n作为反馈，其差值送入pi调节器进行控制，得到iac*；n为自然数；

12、同时执行相间能量平衡控制环，以所有全桥子模块的电容电压平均值∑usm/6n作为参考，计算各相电容电压平均值uc_avg_j作为反馈，其差值经p调节器作用后得到iac,j*，iac*与iac,j*相加后再乘以该相交流电压的参考相位信号cos(ωt+θj)作为各相交流电流控制环的给定信号；

13、同时执行相间能量平衡控制环，以所有全桥子模块的电容电压平均值∑usm/6n作为参考，计算各相电容电压平均值uc_avg_j作为反馈，其差值经p调节器作用后得到iac,j*，iac*与iac,j*相加后再乘以该相交流电压的参考相位信号cos(ωt+θj)作为各相交流电流控制环的给定信号；

14、步骤五：执行交流电流控制环，检测交流电流iac,j作为反馈，与步骤四中的各相交流电流控制环的给定信号做差后送入比例谐振控制器(pr控制器)pr(ω)后得到各相差模电压参考udm,j，谐振频率为ω；

15、步骤六：将各相共模电压参考ucm,j与各相差模电压参考udm,j相减，得到各相上桥臂电压参考uup,j；将各相共模电压参考ucm,j与各相差模电压参考udm,j相加，得到各相下桥臂电压参考ulow,j；各相上桥臂电压参考uup,j与各相下桥臂电压参考ulow,j经过调制作用后得到各全桥子模块中mosfet的pwm开关信号；

16、步骤七：所述pwm开关信号控制开关功率放大器中的全桥子模块后得到开关功放输出电压u1；

17、步骤八：输出电压给定信号uref减开关功放输出电压u1和线性功率放大器输出电压u2后的差值作为线性功率放大器的输入信号，再经线性功率放大器放大后得到u2。

18、步骤九：将开关功放输出电压u1与输出电压给定信号uref做差后作为线性功率放大器的电压参考，同时将线性功率放大器的输出电压u2作为反馈，二者之差作为线性功率放大器的输入，线性功率放大器对该误差进行运算直至误差完全补偿。

19、优选的，步骤六中所述的调制作用的具体实现方法为：将接收到的各相上桥臂电压参考uup,j与各相下桥臂电压参考ulow,j与2n个移相角为π/n的三角载波分别比较，叠加得到各相上、下桥臂投入数目nup,j、nlow,j，若桥臂电流使各全桥子模块电容为充电状态，选择电容电压偏低的nup,j、nlow,j个模块投入；若桥臂电流使各子模块电容为放电状态，选择电容电压偏高的nup,j、nlow,j个模块投入，由此生成各全桥子模块pwm信号。

20、优选的，该方法利用线性功率放大器高带宽、高精度特性，使其与开关功放串联连接，并作为电压闭环快速精准补偿参考波与开关功率放大器实际输出之间的误差，进一步提高功率放大器输出频率范围与电压精度，具体为：将开关功放输出电压u1与输出电压给定信号uref做差后作为线性功率放大器的电压参考，同时将线性功率放大器的输出电压u2作为反馈，二者之差作为线性功率放大器的输入，线性功率放大器对该误差进行运算直至误差完全补偿。

21、有益效果：本发明公开了一种功率放大器宽频高精度控制方法，包括开关功放部分的控制与线性功放部分的控制，开关功放部分主要包括输出电压控制环与环流控制环，并且采用参考电压前馈控制与负载电流前馈控制，加快输出电压的控制速度，使直流功率放大器的输出电压能够快速跟踪参考电压。针对模块化多电平结构的开关型直流功率放大器各子模块电容悬浮的特点，采用了总体能量平衡控制、相间能量平衡控制、桥臂间能量平衡控制，使各子模块电容电压平衡，从而保证模块化多电平结构的开关型直流功率放大器稳定运行。利用线性功率放大器高带宽、高精度特性，使其与开关功放串联连接，并作为电压闭环快速精准补偿参考波与开关功率放大器实际输出之间的误差，进一步提高功率放大器输出频率范围与电压精度，解决了当前对mmc开关型功率放大器的控制方法研究缺失，且无法满足高带宽、高响应速度的需求的问题。