CN110176867B - 级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法，针对采用独立直流供电的级联全桥型多电平功率放大器，建立级联全桥多电平功率放大器输出连续数学方程，得到级联全桥多电平功率放大器输出离散数学方程；将当前时刻采样输出电流i与参考输出电流i^ref代入输出离散数学方程，获取级联全桥多电平功率放大器下一时刻最优输出电平N^opt；定义全桥子模块可靠投入系数λ，依据各个全桥子模块是否发生动作和功率放大器的输出电流大小，实时计算各个全桥子模块对应λ；对所有模块的λ进行排序，并从大到小依次选取|N^opt|个子模块共同输出最优电平N^opt。本发明既能够保证输出电流的快速跟踪又能实现各全桥子模块开关损耗均衡控制。

Description

级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法

技术领域

本发明涉及独立直流供电的级联全桥型多电平功率放大器装置子模块损耗的均衡优化控制，特别是一种级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法。

背景技术

随着电力电子学科的迅猛发展，功率放大器在工业生产与科研教学等多种场合得到了越来越广泛的应用。在拓扑结构方面，传统的模拟类功率放大器由于其高保真特性，常用于小功率音频发声设备。随着应用场合对功率放大器功率等级要求的提高，传统的模拟类功率放大器低工作效率的缺陷逐步显现出来，开关类数字功率放大器应运而生。开关类数字功率放大器利用开关器件工作在在饱和区与截止区的特点，有效的提高了功率放大器在大功率应用场合的工作效率。近几年来，模块化多电平拓扑结构因其具有模块化结构，输出谐波特性优越和拓展性好等优点，成为近几年来国内外学者的研究热点。在这其中，基于级联全桥结构的多电平变换器常被用作功率放大系统，驱动大功率海洋探测用换能器。在控制方法方面，目前基于级联全桥结构的多电平变换器控制方法主要都是基于载波移相PWM控制实现的。而随着微处理器的快速发展，模型预测控制作为一种先进的非线性控制方法，具有设计简单、多目标控制和约束处理能力等优点，能够有效的提升数字功率放大器的快速响应能力。然而当基于独立直流供电的级联全桥功放系统采用模型预测控制时，如果不进行合理的输出电平分配容易造成各全桥子模块损耗分配不均，使得系统散热不均匀，一方面给冷却系统设计造成难题，另一方面也会给功放系统稳定可靠运行带来不确定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法，充分利用输出电流特性，对最优输出全桥子模块进行优化选取。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法，级联全桥型多电平功率放大器装置包括N个级联的全桥子模块；每个子模块的直流侧并联一个直流电压源U_dc，交流输出侧接负载电阻R以及滤波电感L；包括以下步骤：

1)建立功率放大器输出电平状态H和输出电流i之间的连续数学模型，并通过欧拉公式推导功率放大器输出电流的预测模型；

2)将输出电流i和参考输出电流i^ref同时代入预测模型，计算得到参考输出电平H^ref；随后对H^ref进行四舍五入并取其相邻前后两个输出电平状态，重构有限控制集G^ref；

3)建立输出电流评估函数F，将有限控制集G^ref中的三种输出电平状态分别代入输出电流预测模型，计算出输出电流预测值；将输出电流预测值与输出电流参考值代入评估函数F，此时满足使F取得最小的输出电平状态为最优输出电平H^opt；

4)定义全桥子模块可靠投入系数λ，依据各个全桥子模块是否发生动作和功率放大器的输出电流i，实时计算各个全桥子模块对应λ，对所有模块的λ进行排序，并从大到小依次选取|N^opt|个子模块共同输出最优电平 N^opt。

5)功率放大器输出电流的预测模型表达式为：

其中T_s表示系统采样周期，i(k)表示当前时刻输出电流采样值，i(k+1)表示下一时刻输出电流预测值。

有限控制集G^ref的表达式为：

G^ref＝{round(H^ref-1),round(H^ref),round(H^ref+1)}。

T_s表示系统采样周期，i(k)表示当前时刻输出电流采样值，i(k+1)表示下一时刻输出电流预测值。

评估函数F的表达式为：F＝|i^ref(k+1)-i(k+1)|；i(k+1)表示下一时刻输出电流预测值；i^ref(k+1)表示下一时刻参考输出电流。

输出电流预测值

第j个全桥子模块可靠投入系数λ(j)的计算公式为：λ(j)＝λ(j)+δ；

I为参考电流幅值。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明针对独立直流供电的级联全桥型多电平功率放大器装置，提出一种子模块损耗的均衡优化方法，通过同时结合子模块开关动作次数与子模块输出电流，并依据模型预测控制得到的最优输出电平，对完成最优输出的全桥子模块进行优化选取，在实现电流快速跟踪的同时，保证功率放大装置子模块损耗均衡效果，相比传统只考虑开关动作次数的方法，本发明所提出的功率放大装置子模块损耗均衡方法，充分利用输出电流特性，对最优输出全桥子模块进行优化选取，具有一定的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明基于独立直流供电的级联全桥型多电平功率放大器装置拓扑结构图。

图2是本发明基于模型预测控制最优输出电平流程图。

图3是本发明基于独立直流供电的级联全桥型多电平功率放大器装置子模块损耗均衡分配流程图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

1)功率放大器由N个全桥子模块级联构成，每个子模块的直流侧并联一个恒定的直流电压源U_dc，交流输出接负载电阻R以及滤波电感L；

2)建立功率放大器输出电平状态H和输出电流i之间的连续数学模型，

并通过欧拉公式推导功率放大器输出电流的预测模型，

其中T_s表示系统采样周期，i(k)表示当前时刻输出电流采样值，i(k+1)表示下一时刻输出电流预测值。

3)将功率放大器采样输出电流i和参考输出电流i^ref同时带入预测模型，计算得到参考输出电平H^ref，

随后对H^ref进行四舍五入并取其相邻前后两个输出电平状态重构有限控制集G_re ^f；

G^ref＝{round(H^ref-1),round(H^ref),round(H^ref+1)}

4)建立输出电流评估函数F，

F＝|i^ref(k+1)-i(k+1)|

将有限控制集G^ref中的三种输出电平状态分别带入输出电流预测模型，

计算出输出电流预测值，随后将输出电流预测值与输出电流参考值带入评估函数F，此时满足使F取得最小的输出电平状态为最优输出电平H^opt。

5)定义功率放大器第j个全桥子模块可靠投入系数λ(j)，如果第j个子模块在上一时刻发生电平变化，则有

λ(j)＝0

如果第j个子模块在上一时刻发生电平变化，则有

λ(j)＝λ(j)+δ

其中δ是通过采样输出电流i绝对值除以参考电流幅值I计算得到；

最后对所有子模块的可靠投入系数λ进行排序，根据从大到小的原则，选取较大λ对应的N^opt个子模块进行输出。

图1为本发明所述的基于独立直流供电的级联全桥型多电平功率放大器装置拓扑结构，主电路由电源和负载两部分组成，电源部分由N个级联子模块单元组合形成多电平逆变器，每一个子模块单元由一个独立的直流电源和全桥逆变器组成，中间电容C起到电压支撑作用，负载部分由电阻R与电感L组成。此种拓扑结构正常工作最多能够输出2N+1电平。

图2是本发明基于模型预测控制最优输出电平流程图。具体步骤如下：

步骤一：初始化i＝1,F^opt＝1e6,N^opt＝0；

步骤二：采样输出电流i(k)；

步骤三：获取参考输出电流i^ref(k+1)；

步骤四：计算参考输出电平H^ref；

步骤五：构造可能输出电平集合G^ref；

步骤六：根据输出电平G^ref(i)，计算输出电流预测值；

步骤七：根据输出电流参考值和预测值计算评估函数F；

步骤八：判断F是否小于F^opt,如果是则继续执行步骤九，如果否则跳至步骤十；

步骤九：将F赋值给F^opt，G^ref(i)赋值给N^opt；

步骤十：计算i＝i+1；

步骤十一：判断i是否大于3，如果是则继续步骤十二，否则返回执行步骤六；

步骤十二：结束。

图3是本发明基于独立直流供电的级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化分配排序流程图。具体步骤如下：

步骤一：获取输出电流采样i(k)，电流幅值I，全桥模块数N，子模块输出状态向量Α＝[0,0,…,0]，A的维度等于N；

步骤二：获取最优输出电平N^opt以及可靠投入系数λ；

步骤三：对可靠投入系数λ按从大到小进行排序，生成新的序列γ；

步骤四：初始化i＝0；

步骤五：执行i＝i+1；

步骤六：判断i是否小于或等于|N^opt|，如果是则执行步骤七，否则跳至步骤十一；

步骤七：初始化j＝0；

步骤八：执行j＝j+1；

步骤九：判断λ(j)是否等于γ(i)，如果是则执行步骤十，否则返回执行步骤八；

步骤十：判断N^opt是否大于0，如果是则将1赋值给Α(j)，否则将-1赋值给Α(j)，随后返回执行步骤五；

步骤十一：初始化j＝0；

步骤十二：执行j＝j+1；

步骤十三：判断Α(j)是否等于0，如果是则将λ(j)+i(k)/I赋值给λ(j)，否则将 0赋值给λ(j)，随后执行步骤十四；

步骤十四：判断j是否大于N，如果是则执行步骤十五，否则返回执行步骤十二；

步骤十五：依据A中各元素取值，设定对应全桥子模块输出状态；

步骤十六：结束。

Claims (5)

1.一种级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法，级联全桥型多电平功率放大器装置包括N个级联的全桥子模块；每个子模块的直流侧并联一个直流电压源U_dc，交流输出侧接负载电阻R以及滤波电感L；其特征在于，包括以下步骤：

1)建立功率放大器输出电平状态H和输出电流i之间的连续数学模型，并通过欧拉公式推导功率放大器输出电流的预测模型；功率放大器输出电流的预测模型表达式为：

其中T_s表示系统采样周期，i(k)表示当前时刻输出电流采样值，i(k+1)表示下一时刻输出电流预测值；

2)将输出电流i和输出电流参考值i^ref同时代入预测模型，计算得到参考输出电平H^ref；随后对H^ref进行四舍五入并取其相邻前后两个输出电平状态，重构有限控制集G^ref；

3)建立输出电流评估函数F，将有限控制集G^ref中的三种输出电平状态分别代入输出电流预测模型，计算出输出电流预测值；将输出电流预测值与输出电流参考值代入评估函数F，此时满足使F取得最小的输出电平状态为最优输出电平N^opt，将使F取得最小的输出电平状态赋值给N^opt；

4)定义全桥子模块可靠投入系数λ，依据各个全桥子模块是否发生动作和功率放大器的输出电流i，实时计算各个全桥子模块对应λ，对所有全桥子模块的λ进行排序，并从大到小依次选取|N^opt|个全桥子模块共同输出最优输出电平N^opt；||表示取绝对值。

2.根据权利要求1所述的级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法，其特征在于，有限控制集G^ref的表达式为：

G^ref＝{round(H^ref-1),round(H^ref),round(H^ref+1)}；

其中，round()表示对括号内的数值进行四舍五入；

3.根据权利要求1所述的级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法，其特征在于，评估函数F的表达式为：F＝|i^ref(k+1)-i(k+1)|i^ref(k+1)表示下一时刻参考输出电流。

4.根据权利要求3所述的级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法，其特征在于，输出电流预测值

5.根据权利要求3所述的级联全桥型多电平功率放大器装置损耗均衡优化控制方法，其特征在于，第j个全桥子模块可靠投入系数λ(j)的计算公式为：λ(j)＝λ(j)+δ；

I为输出电流参考值的幅值。

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