CN107231093A

CN107231093A - 基于全桥mmc结构的中间包电磁加热电源的控制方法

Info

Publication number: CN107231093A
Application number: CN201710455256.5A
Authority: CN
Inventors: 罗安; 郭鹏; 岳雨霏; 何志兴; 徐千鸣
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2017-06-16
Publication date: 2017-10-03
Anticipated expiration: 2037-06-16
Also published as: CN107231093B

Abstract

本发明公开了一种基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法，针对全桥MMC结构，分别建立三相电流输入、单相电流输出以及子模块电容电压的数学模型，并利用欧拉公式对其进行离散化处理。上层预测控制算法通过滚动寻优确定桥臂最优输出电平，实现三相‑单相电流的快速跟踪，下层预测控制算法通过预测各子模块电容电压，确定各子模块的最终投入状态，实现同一桥臂子模块之间电压平衡，比例‑积分控制完成不同桥臂子模块电压之和的均衡，具体包括：分层模型预测控制和比例积分控制。本发明针对全桥MMC结构的中间包电磁加热电源，建立了三相‑单相数学模型，利用分层模型预测控制与比例积分控制，实现了对输入交流、输出交流的快速跟踪以及子模块电容电压的平衡。

Description

基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法

技术领域

本发明涉及中间包电磁加热电源的控制方法。

背景技术

随着现代工业的迅速发展，钢材需求量逐年累加，而钢材热处理技术一直是钢铁企业关注的重点。在现代电力电子技术与功率半导体技术支撑下，大功率高效率变频电源被逐渐应用到钢材感应加热技术之中，其中感应加热电源作为电能变换装置起着连接三相电网与感应加热器的作用，既要考虑减少对电网的谐波污染，又要保证输出负载电流的低谐波特性。

基于全桥模块化多电平变换器结构的拓扑因其模块化，低谐波，高冗余等特性而在中高压电源场合得到广泛关注。该结构能实现交-交变频调幅目的，如何快速跟踪输入电流、输出电流以及子模块电压平衡等问题一直是该拓扑的研究热点。

发明内容

本发明旨在提供一种基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法，完成对输入输出电流的快速跟踪以及各子模块电压的平衡控制，保证电磁加热电源的稳定可靠工作。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法，包括以下步骤：

1)基于中间包电磁加热电源的基本结构，依据基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律，建立电路方程；

2)将上述电路方程进行离散化，依据功率守恒原理，设计输入、输出电流的参考指令，通过模型预测控制得到下一控制周期桥臂最优输出电平；

3)构建中间包电磁加热电源子模块电容电压与流过子模块电流之间的微分方程，然后分析中间包电磁加热电源功率开关器件的开关状态与子模块对外所呈现电压之间的关系，并对其进行离散化处理；

4)根据功率守恒原理，利用比例-积分控制得到的修正量实时修正单相交流输出电流参考值；

5)根据步骤2)所得到的桥臂最优输出电平和步骤4)计算得到的修正后输出电流参考值，通过步骤3)离散化后的开关状态与子模块对外所呈现电压之间的关系，利用模型预测控制确定桥臂各子模块的投入状态，实现同一桥臂各子模块之间的电压均衡控制。

步骤1)中，电路方程如下：

i_o＝i_oa+i_ob+i_oc；

其中u_sj、i_sj分别为三相交流输入电压与电流，u_pj和u_nj分别为j相上、下桥臂的输出电压，i_oj表示j相环流，io为输出负载电流，L_s和R_s分别为交流侧电感与电阻，L和R分别为桥臂电感与电阻，L_o和R_o分别为电磁加热器等效的电感与电阻；j＝a,b,c。

步骤2)中，电路方程进行离散化后的表达式为：

其中，i_sj(k+1)表示j相输入电流在k+1时刻的预测值，i_oj(k+1)表示j相输出电流在k+1时刻的预测值，u_pj(k+1)、u_nj(k+1)分别表示j相上、下桥臂输出电压在k+1时刻的预测值，i_sa(k),u_sa(k)分别表示j相k时刻网侧电流与电压的采样值；T为采样周期。

桥臂输出电压与输出电平存在如下关系：

其中分别表示j相上桥臂子模块电容电压之和、下桥臂子模块电容电压之和在k时刻的采样值；L_pj、L_nj分别表示j相上、下桥臂输出电平；设桥臂子模块个数为N，单个全桥模块输出-1、0、1三种电平，则桥臂输出电平为[-N,-N+1,···,N-1,N]。

步骤4)中，由比例-积分控制得到的单相交流电流参考值的计算过程为：

其中和分别为输出电流的最终参考值和系统给定参考值；G_PI(s)为比例-积分控制器；为j相桥臂总电压参考值，和分别为j相上、下桥臂子模块电容电压之和的稳态分量。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明首先建立了基于全桥MMC结构的三相输入、单相输出以及子模块电压的数学模型，并依据欧拉向前公式进行离散化处理，然后提出分层模型预测-比例积分控制方法，上层模型预测控制通过滚动优化得到各桥臂最优输出电平，完成对输入三相交流以及输出单相交流的快速跟踪，下层模型预测控制通过滚动优化确定各桥臂子模块的最优投入状态，完成桥臂内部各子模块电压之间均衡控制，最后通过对桥臂所有子模块电压之和进行比例积分控制，完成桥臂所有子模块电压之和的平衡控制，该方法对基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的快速可靠稳定运行具有重要意义。

附图说明

图1是本发明基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源结构图。

图2是本发明一实施例桥臂子模块电容电压和控制框图。

图3是本发明一实施例上层模型预测控制算法流程图。

图4是本发明一实施例下层模型预测控制算法流程图。

具体实施方式

图1是本发明所基于的全桥MMC结构的中间包电磁加热电源结构图，其中u_sj、i_sj(j＝a,b,c)分别为三相交流输入电压与电流，u_pj和u_nj分别为j相上、下桥臂的输出电压，i_oj表示j相环流，i_o为输出负载电流，L_s和R_s分别为交流侧电感与电阻，L和R分别为桥臂电感与电阻，电阻主要是由寄生电阻与变换器损耗等效电阻构成，L_o和R_o分别为电磁加热器等效的电感与电阻。子模块由单相全桥电路构成，假设单个子模块电压为u_c，则单个子模块可输出-u_c,0,u_c三种电平。

图2是本发明一实施例桥臂子模块电容电压和控制框图。具体实施步骤为：

(1)对每一相所有子模块电容电压进行求和处理，由上、下桥臂子模块电容电压之和的平均值得到相桥臂电压，然后将其送入低通滤波器滤波得到稳态分量，得到：

其中，为j相桥臂电压的稳态值，和分别为j相上、下桥臂子模块电容电压之和的稳态值。

(2)将相桥臂总电压稳态分量与其参考值比较后送入比例-积分控制器中，其结果作为输出电流参考值的修正量，与给定的系统输出电流参考值相加得到最终的输出电流参考值，实现平衡变换器输入输出功率的目的，则最终输出电流参考值为：

其中和分别为输出电流的最终参考值和系统给定参考值；G_PI(s)为比例-积分控制器；为相桥臂总电压参考值。

图3是本发明一实施例上层模型预测控制算法流程图。具体实施步骤：

步骤一：初始化变量：上、下桥臂的输出电平L_pj和L_nj，上层模型预测控制的评价函数评价函数F，评价函数的最小值F_min；

步骤二：采样k时刻网侧电压u_sj、输入电流i_sj、桥臂环流i_oj、输出电流i_o以及桥臂子模块电容电压之和瞬态值和

步骤三：更新桥臂输出电平L_pj、L_nj，并判断是否满足电平约束条件，即-N<L_pj、L_nj<<N，满足则执行步骤四，否则执行步骤六；

步骤四：计算评价函数并判断是否满足F<F_min，满足则执行步骤五，否则执行步骤三；其中，ω₁，ω₂表示输入输出电流相对重要程度的权重系数，分别表示输入电流在k+1时刻的参考值和预测值，分别表示输出电流在k+1时刻的参考值和预测值；

步骤五：更新F_min以及上、下桥臂的最优输出电平执行步骤三；

步骤六：结束本次循环。

图4是本发明一实施例下层模型预测控制算法流程图。具体实施步骤：

步骤一：初始化变量桥臂子模块开关组合状态S，下层模型预测控制的评价函数F_v，评价函数的最小值F_vmin；

步骤二：采样k时刻各子模块电容电压u_c，以及桥臂电流i_arm；

步骤三：更新桥臂开关组合状态，并判断是否满足开关组合约束条件，即每一个模块的的状态s满足-1≤s≤1，满足则执行步骤四，否则执行步骤六；

步骤四：以上桥臂为例，计算评价函数并判断是否满足F_v<F_vmin且满足则执行步骤五，否则执行步骤三；其中u_cm(k+1)-u_c(m-1)(k+1)表示同一桥臂两两子模块的电容电压之差，L^opt表示由上层模型预测控制得到的桥臂最优输出电平。

步骤五：更新F_vmin以及桥臂最优开关组合状态S^opt，执行步骤三；

步骤六：结束本次循环。

Claims

1.一种基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

3)构建中间包电磁加热电源子模块电容电压与流过子模块电流之间的微分方程，然后分析中间包电磁加热电源子模块功率开关器件的开关状态与子模块对外所呈现电压之间的关系，并对其进行离散化处理；

2.根据权利要求1所述的基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法，其特征在于，步骤1)中，电路方程如下：

i_o＝i_oa+i_ob+i_oc；

其中u_sj、i_sj分别为三相交流输入电压与电流，u_pj和u_nj分别为j相上、下桥臂的输出电压，i_oj表示j相环流，i_o为输出负载电流，L_s和R_s分别为交流侧电感与电阻，L和R分别为桥臂电感与电阻，L_o和R_o分别为电磁加热器等效的电感与电阻；j＝a,b,c。

3.根据权利要求2所述的基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法，其特征在于，步骤2)中，电路方程进行离散化后的表达式为：

4.根据权利要求3所述的基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法，其特征在于，桥臂输出电压与输出电平存在如下关系：

<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>u</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>a</mi> </mrow> <mi>&Sigma;</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>u</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>a</mi> </mrow> <mi>&Sigma;</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

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其中分别表示j相上桥臂子模块电容电压之和、下桥臂子模块电容电压之和在k时刻的采样值；L_pj、L_nj分别表示j相上、下桥臂输出电平；设桥臂子模块个数为N，单个全桥模块输出-1、0、1三种电平，则桥臂输出电平为[-N,-N+1,…,N-1,N]。

5.根据权利要求1所述的基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法，其特征在于，步骤4)中，由比例-积分控制得到的单相交流电流参考值的计算过程为：

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6.根据权利要求1所述的基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法，其特征在于，最优输出电平的具体计算过程包括：

步骤一：初始化变量：上、下桥臂的输出电平L_pj和L_nj，上层模型预测控制的评价函数F，评价函数的最小值F_min；

步骤二：采样k时刻网侧电压u_sj、输入电流i_sj、桥臂环流i_oj、输出电流i_o以及上、下桥臂子模块电容电压之和的瞬时值和

步骤三：更新上、下桥臂输出电平L_pj、L_nj，并判断是否满足电平约束条件，即-N<＝L_pj、L_nj<＝N，满足则执行步骤四，否则执行步骤六；

步骤四：计算评价函数并判断是否满足F<F_min，满足则执行步骤五，否则执行步骤三；其中，ω₁，ω₂表示输入输出电流相对重要程度的权重系数，分别表示输入电流在k+1时刻的参考值和预测值分别表示输出电流在k+1时刻的参考值和预测值；

步骤六：结束。

7.根据权利要求1所述的基于全桥MMC结构的中间包电磁加热电源的控制方法，其特征在于，子模块最优开关组合状态计算过程包括：

步骤1：初始化变量桥臂子模块开关组合状态S，下层模型预测控制的评价函数F_v，评价函数的最小值F_vmin；

步骤2：采样k时刻各子模块电容电压u_c，以及桥臂电流i_arm；

步骤3：更新桥臂开关组合状态，并判断是否满足开关组合约束条件，即每一个模块的的状态s满足-1≤s≤1，满足则执行步骤4，否则执行步骤6；

步骤4：对于上桥臂，计算评价函数并判断是否满足F_v<F_vmin且满足则执行步骤5，否则执行步骤3；其中u_cm(k+1)-u_c(m-1)(k+1)表示同一桥臂两两子模块的电容电压之差，L^opt表示由上层模型预测控制得到的桥臂最优输出电平；下桥臂评价函数计算过程与上桥臂相同；

步骤5：更新F_vmin以及桥臂最优开关组合状态S^opt，执行步骤3；

步骤6：结束。