CN116780929B - 基于SiWBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于SiWBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法，涉及电力系统技术领域，包括将电流预测模型应用于模型预测控制，并在代价函数中引入基于开关损耗曲线的变权重系数，从而选取最优总开关状态，根据最优总开关状态，结合Si与SiC器件在不同电流下开关损耗情况，遍历该总开关状态下的所有子模块功率器件的开关组合，根据子模块分配代价函数，选取最优子模块开关组合Si/SiC子模块的功率器件开关组合。该变权重预测控制方法能够实现装置效率的提高，功率损耗以及电流谐波畸变率降低的应用需求。

Description

基于SiWBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体为基于SiWBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法。
背景技术
基于Si IGBT/SiC MOSFET级联H桥多电平逆变器的Si/WBG级联H桥变换器（以下简称为“Si/WBG级联H桥变换器”）因其高可靠性、低成本、易于控制、易于实现高电压且模块化易替换等优势，能够有效应对不同工业应用领域中的苛刻性能要求，具有宽广的推广前景。
然而，针对Si/WBG级联H桥变换器的控制方法，传统方法采用固定权重在整个基波周期内对约束量施加固定的影响，没有考虑电流对器件开关损耗的影响，难以进一步优化效率和输出电流谐波畸变率，难以更加合理配置各功率器件的开关任务，故难以实现该变换器较低成本、高电能质量、低损耗及高效率的应用需求，存在技术瓶颈。因此，亟需采用一种针对该变换器的控制方法，充分结合和利用变换器各功率器件优势，以实现高效率和低电流谐波畸变率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于SiWBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法，解决了上述背景技术中提出的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于SiWBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法，包括如下步骤：
S1、将电流预测模型应用于模型预测控制，通过当前k时刻输出电流值I(k) ，计算当前k时刻输出多电平电压Uo(k)下的预测电流值I(k+1)；
S2、将输出多电平电压Uo(k)对应的预测电流值I(k+1)和总开关状态Sk(k+1)代入变权重代价函数g计算，选取最优总开关状态Sk(k+1)来更新总开关状态；
S3、应用最优总开关状态，结合Si与SiC器件在不同电流下开关损耗情况，遍历该总开关状态下的所有子模块功率器件的开关组合，根据子模块分配代价函数g1选取最优子模块开关组合。
进一步的，在步骤S1中，在并网模式下除了当前k时刻采样输出电流值I(k) ，还需要当前k时刻采样电网电压E(k)。
进一步的，所述步骤S2中，代价函数g的表达式为：
其中，Iref为参考电流值，Sk(k+1)为预测总开关状态，Sk为当前开关状态，α为总开关状态变化量的权重，其取值表征对开关状态变化量约束性强弱。
进一步的，所述总开关状态变化量的权重α的取值表达式为：
其中，αmax为最大权重值，ESiC_sw(0)为I=0时的开关损耗，ESiC_sw(m)为I取到最大值时的开关损耗。
进一步的，所述开关状态变化量的权重α随实时开关损耗变化，α的取值与开关损耗成正比。通过在一个周期内不断变化的αp，能够兼顾输出电流谐波畸变率和效率。
进一步的，所述步骤S3中，代价函数g1的表达式为：
其中，Sa1(k+1)，Sb1(k+1)，Sc1(k+1)，Sd1(k+1)为预测Si开关器件的开关状态，Sa2(k+1)，Sb2(k+1)，Sc2(k+1)，Sd2(k+1)为预测SiC开关器件的开关状态，Sa1，Sb1，Sc1，Sd1为当前Si开关器件的开关状态，Sa2，Sb2，Sc2，Sd2为当前SiC开关器件的开关状态。
进一步的，在代价函数g1的表达式中，权重α1和α2的取值表达式为：
进一步的，对Si IGBT子模块分配开关权重α1，取值根据开关损耗的变化而不同；对SiC MOSFET子模块分配开关权重α2，取值固定，该权重取值方法能够保证输出电流较大时，α1>α2，SiC MOSFET承担主要开关任务；输出电流较小时，α1<α2，Si IGBT承担主要开关任务。
本发明提供了基于SiWBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
该基于SiWBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法，通过将电流预测模型应用于模型预测控制，并在代价函数中引入基于开关损耗曲线的变权重系数，从而选取最优总开关状态，根据最优总开关状态，结合Si与SiC器件在不同电流下开关损耗情况，遍历该总开关状态下的所有子模块功率器件的开关组合，根据子模块分配代价函数，选取最优子模块开关组合Si/SiC子模块的功率器件开关组合。本发明实现装置效率的提高，功率损耗以及电流谐波畸变率降低的应用需求。
附图说明
图1为本发明变权重预测控制方法的算法流程框图；
图2为本发明变权重预测控制方法的变换器电路拓扑结构；
图3 为本发明变权重预测控制方法的变换器等效电路；
图4 为本发明变权重预测控制方法的双脉冲测试理论波形图（以SiC MOSFET为例）。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅附图1，为本发明基于Si/WBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法的流程图，本发明提供了基于Si/WBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法，所述Si/WBG级联H桥变换器以Si IGBT/SiC MOSFET级联H桥多电平逆变器（以下简称为“Si/SiC级联H桥逆变器”）为例进行说明，所述变权重预测控制方法包括如下步骤：
S1：针对附图2，忽略电容C中的高频电流、滤波电感电阻和线路电阻，则逆变器离网带负载模式和并网模式下的等效电路分别如附图3所示；
S2：根据基尔霍夫电路基本定理表示出逆变器离网带负载模式和并网模式下的电流、电压关系，然后对微分环节进行前向差分离散化处理，得到单相多电平级联H桥离网和并网的离散化数学模型：
其中，Ts为系统的采样周期，I(k)和I(k+1)分别为 k和k+1时刻的输出电流值，Uo(k)和E(k)分别为 k时刻的输出多电平电压和采样电网电压；
S3：根据步骤S02获得的单相多电平级联H桥离网和并网离散化数学模型，推出离网和并网模式下的电流预测模型：
其中，Ts为系统的采样周期，I(k)和I(k+1)分别为 k和k+1时刻的输出电流值，Uo(k)和E(k)分别为 k时刻的输出多电平电压和采样电网电压；
S4：将电流预测模型应用于模型预测控制，通过当前k时刻输出电流值I(k) （并网模式下还需要当前k时刻采样电网电压E(k)），计算当前k时刻输出多电平电压Uo(k)下的预测电流值I(k+1)；
S5：将预测过程分为预测总开关状态，以及预测子模块功率器件开关组合两部分，以降低计算量；
S6：以SiC MOSFET器件为例，分别将图4波形开通和关断过程进行放大和组合（纵坐标为栅极-源极电压vgs、漏极-源极电压vds、电感电流iL、漏极电流ids和二极管电流id），根据损耗计算公式，表示为：
得到损耗波形图，然后对电流与损耗进行拟合，得到开关损耗二次拟合表达式；
同理可得Si IGBT开关损耗二次拟合表达式；
最后得出Si/SiC级联H桥逆变器的总开关损耗二次拟合表达式A*I^2+B*I+C；
S7：将输出多电平电压Uo(k)对应的预测电流值I(k+1)和总开关状态Sk(k+1)代入变权重代价函数g计算，选取最优总开关状态Sk(k+1)来更新总开关状态；
所述的代价函数g，表示为：
其中，Iref为参考电流值，Sk(k+1)为预测总开关状态，Sk为当前开关状态，α为总开关状态变化量的权重，其取值表征对开关状态变化量约束性强弱；
所述的权重α由开关损耗的二次拟合表达式A*I^2+B*I+C得到，取值为：
其中，αmax为最大权重值，ESiC_sw(0)为I=0时的开关损耗，ESiC_sw(m)为I取到最大值时的开关损耗。
开关状态变化量的权重α随实时开关损耗变化，α的取值与开关损耗成正比。通过在一个周期内不断变化的αp，能够兼顾输出电流谐波畸变率和效率。
S8：应用最优总开关状态，结合Si与SiC器件在不同电流下开关损耗情况，遍历该总开关状态下的所有子模块功率器件的开关组合，根据子模块分配代价函数g1选取最优子模块开关组合。
所述的代价函数g1，表示为：
其中，Sa1(k+1)，Sb1(k+1)，Sc1(k+1)，Sd1(k+1)为预测Si开关器件的开关状态，Sa2(k+1)，Sb2(k+1)，Sc2(k+1)，Sd2(k+1)为预测SiC开关器件的开关状态，Sa1，Sb1，Sc1，Sd1为当前Si开关器件的开关状态，Sa2，Sb2，Sc2，Sd2为当前SiC开关器件的开关状态。
所述的权重α1和α2也是根据开关损耗的二次拟合表达式A*I^2+B*I+C得出，取值为：
对Si IGBT子模块分配开关权重α1，取值根据开关损耗的变化而不同；对SiCMOSFET子模块分配开关权重α2，取值固定。该权重取值方法能够保证输出电流较大时，α1>α2，SiC MOSFET承担主要开关任务；输出电流较小时，α1<α2，Si IGBT承担主要开关任务。
综上，本实施例的基于Si/WBG级联H桥变换器的变权重预测控制方法，通过将电流预测模型应用于模型预测控制，并在代价函数中引入基于开关损耗曲线的变权重系数，从而选取最优总开关状态，根据最优总开关状态，结合Si与SiC器件在不同电流下开关损耗情况，遍历该总开关状态下的所有子模块功率器件的开关组合，根据子模块分配代价函数，选取最优子模块开关组合Si/SiC子模块的功率器件开关组合，从而实现装置效率的提高，功率损耗以及电流谐波畸变率降低的应用需求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.基于联H桥变换器的变权重预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将电流预测模型应用于模型预测控制，通过当前k时刻输出电流值I(k)，计算当前k时刻输出多电平电压Uo(k)下的预测电流值I(k+1)；
S2、将输出多电平电压Uo(k)对应的预测电流值I(k+1)和总开关状态Sk(k+1)代入变权重代价函数g计算，选取最优总开关状态Sk(k+1)来更新总开关状态；
S3、应用最优总开关状态，结合Si与SiC器件在不同电流下开关损耗情况，遍历该总开关状态下的所有子模块功率器件的开关组合，根据子模块分配代价函数g1选取最优子模块开关组合；
所述步骤S2中，代价函数g的表达式为：
g＝|I(k+1)-Iref|+α|Sk(k+1)-Sk|
其中，Iref为参考电流值，Sk(k+1)为预测总开关状态，Sk为当前开关状态，α为总开关状态变化量的权重，其取值表征对开关状态变化量约束性强弱；
所述总开关状态变化量的权重α的取值表达式为：
其中，αmax为最大权重值，ESiC_sw(0)为I＝0时的开关损耗，ESiC_sw(m)为I取到最大值时的开关损耗；
所述步骤S3中，代价函数g1的表达式为：
g1＝α1(|Sa1(k+1)-Sa1|+|Sb1(k+1)-Sb1|+|Sc1(k+1)-Sc1|+|Sd1(k+1)-Sd1|)+α2(|Sa2(k+1)-Sa2|+|Sb2(k+1)-Sb2|+|Sc2(k+1)-Sc2|+|Sd2(k+1)-Sd2|)
其中，Sa1(k+1)，Sb1(k+1)，Sc1(k+1)，Sd1(k+1)为预测Si开关器件的开关状态，Sa2(k+1)，Sb2(k+1)，Sc2(k+1)，Sd2(k+1)为预测SiC开关器件的开关状态，Sa1，Sb1，Sc1，Sd1为当前Si开关器件的开关状态，Sa2，Sb2，Sc2，Sd2为当前SiC开关器件的开关状态。
在代价函数g1的表达式中，权重α1和α2的取值表达式为：
2.根据权利要求1所述的基于联H桥变换器的变权重预测控制方法，其特征在于，在步骤S1中，在并网模式下除了当前k时刻采样输出电流值I(k)，还需要当前k时刻采样电网电压E(k)。
3.根据权利要求1所述的基于联H桥变换器的变权重预测控制方法，其特征在于，所述开关状态变化量的权重α随实时开关损耗变化，α的取值与开关损耗成正比，通过在一个周期内不断变化的αp，能够兼顾输出电流谐波畸变率和效率。
4.根据权利要求1所述的基于联H桥变换器的变权重预测控制方法，其特征在于，对SiIGBT子模块分配开关权重α1，取值根据开关损耗的变化而不同；对SiC MOSFET子模块分配开关权重α2，取值固定。
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