基於全橋MMC結構的中間包電磁加熱電源的控制方法與流程

2024-04-01 02:36:05 2

本發明涉及中間包電磁加熱電源的控制方法。

背景技術：

隨著現代工業的迅速發展，鋼材需求量逐年累加，而鋼材熱處理技術一直是鋼鐵企業關注的重點。在現代電力電子技術與功率半導體技術支撐下，大功率高效率變頻電源被逐漸應用到鋼材感應加熱技術之中，其中感應加熱電源作為電能變換裝置起著連接三相電網與感應加熱器的作用，既要考慮減少對電網的諧波汙染，又要保證輸出負載電流的低諧波特性。

基於全橋模塊化多電平變換器結構的拓撲因其模塊化，低諧波，高冗餘等特性而在中高壓電源場合得到廣泛關注。該結構能實現交-交變頻調幅目的，如何快速跟蹤輸入電流、輸出電流以及子模塊電壓平衡等問題一直是該拓撲的研究熱點。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種基於全橋mmc結構的中間包電磁加熱電源的控制方法，完成對輸入輸出電流的快速跟蹤以及各子模塊電壓的平衡控制，保證電磁加熱電源的穩定可靠工作。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：一種基於全橋mmc結構的中間包電磁加熱電源的控制方法，包括以下步驟：

1)基於中間包電磁加熱電源的基本結構，依據基爾霍夫電壓定律、基爾霍夫電流定律，建立電路方程；

2)將上述電路方程進行離散化，依據功率守恆原理，設計輸入、輸出電流的參考指令，通過模型預測控制得到下一控制周期橋臂最優輸出電平；

3)構建中間包電磁加熱電源子模塊電容電壓與流過子模塊電流之間的微分方程，然後分析中間包電磁加熱電源功率開關器件的開關狀態與子模塊對外所呈現電壓之間的關係，並對其進行離散化處理；

4)根據功率守恆原理，利用比例-積分控制得到的修正量實時修正單相交流輸出電流參考值；

5)根據步驟2)所得到的橋臂最優輸出電平和步驟4)計算得到的修正後輸出電流參考值，通過步驟3)離散化後的開關狀態與子模塊對外所呈現電壓之間的關係，利用模型預測控制確定橋臂各子模塊的投入狀態，實現同一橋臂各子模塊之間的電壓均衡控制。

步驟1)中，電路方程如下：

io＝ioa+iob+ioc；

其中usj、isj分別為三相交流輸入電壓與電流，upj和unj分別為j相上、下橋臂的輸出電壓，ioj表示j相環流，io為輸出負載電流，ls和rs分別為交流側電感與電阻，l和r分別為橋臂電感與電阻，lo和ro分別為電磁加熱器等效的電感與電阻；j＝a,b,c。

步驟2)中，電路方程進行離散化後的表達式為：

其中，isj(k+1)表示j相輸入電流在k+1時刻的預測值，ioj(k+1)表示j相輸出電流在k+1時刻的預測值，upj(k+1)、unj(k+1)分別表示j相上、下橋臂輸出電壓在k+1時刻的預測值，isa(k),usa(k)分別表示j相k時刻網側電流與電壓的採樣值；t為採樣周期。

橋臂輸出電壓與輸出電平存在如下關係：

其中分別表示j相上橋臂子模塊電容電壓之和、下橋臂子模塊電容電壓之和在k時刻的採樣值；lpj、lnj分別表示j相上、下橋臂輸出電平；設橋臂子模塊個數為n，單個全橋模塊輸出-1、0、1三種電平，則橋臂輸出電平為[-n,-n+1,···,n-1,n]。

步驟4)中，由比例-積分控制得到的單相交流電流參考值的計算過程為：

其中和分別為輸出電流的最終參考值和系統給定參考值；gpi(s)為比例-積分控制器；為j相橋臂總電壓參考值，和分別為j相上、下橋臂子模塊電容電壓之和的穩態分量。

與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為：本發明首先建立了基於全橋mmc結構的三相輸入、單相輸出以及子模塊電壓的數學模型，並依據歐拉向前公式進行離散化處理，然後提出分層模型預測-比例積分控制方法，上層模型預測控制通過滾動優化得到各橋臂最優輸出電平，完成對輸入三相交流以及輸出單相交流的快速跟蹤，下層模型預測控制通過滾動優化確定各橋臂子模塊的最優投入狀態，完成橋臂內部各子模塊電壓之間均衡控制，最後通過對橋臂所有子模塊電壓之和進行比例積分控制，完成橋臂所有子模塊電壓之和的平衡控制，該方法對基於全橋mmc結構的中間包電磁加熱電源的快速可靠穩定運行具有重要意義。

附圖說明

圖1是本發明基於全橋mmc結構的中間包電磁加熱電源結構圖。

圖2是本發明一實施例橋臂子模塊電容電壓和控制框圖。

圖3是本發明一實施例上層模型預測控制算法流程圖。

圖4是本發明一實施例下層模型預測控制算法流程圖。

具體實施方式

圖1是本發明所基於的全橋mmc結構的中間包電磁加熱電源結構圖，其中usj、isj(j＝a,b,c)分別為三相交流輸入電壓與電流，upj和unj分別為j相上、下橋臂的輸出電壓，ioj表示j相環流，io為輸出負載電流，ls和rs分別為交流側電感與電阻，l和r分別為橋臂電感與電阻，電阻主要是由寄生電阻與變換器損耗等效電阻構成，lo和ro分別為電磁加熱器等效的電感與電阻。子模塊由單相全橋電路構成，假設單個子模塊電壓為uc，則單個子模塊可輸出-uc,0,uc三種電平。

圖2是本發明一實施例橋臂子模塊電容電壓和控制框圖。具體實施步驟為：

(1)對每一相所有子模塊電容電壓進行求和處理，由上、下橋臂子模塊電容電壓之和的平均值得到相橋臂電壓，然後將其送入低通濾波器濾波得到穩態分量，得到：

其中，為j相橋臂電壓的穩態值，和分別為j相上、下橋臂子模塊電容電壓之和的穩態值。

(2)將相橋臂總電壓穩態分量與其參考值比較後送入比例-積分控制器中，其結果作為輸出電流參考值的修正量，與給定的系統輸出電流參考值相加得到最終的輸出電流參考值，實現平衡變換器輸入輸出功率的目的，則最終輸出電流參考值為：

其中和分別為輸出電流的最終參考值和系統給定參考值；gpi(s)為比例-積分控制器；為相橋臂總電壓參考值。

圖3是本發明一實施例上層模型預測控制算法流程圖。具體實施步驟：

步驟一：初始化變量：上、下橋臂的輸出電平lpj和lnj，上層模型預測控制的評價函數評價函數f，評價函數的最小值fmin；

步驟二：採樣k時刻網側電壓usj、輸入電流isj、橋臂環流ioj、輸出電流io以及橋臂子模塊電容電壓之和瞬態值和

步驟三：更新橋臂輸出電平lpj、lnj，並判斷是否滿足電平約束條件，即-n<lpj、lnj<<n，滿足則執行步驟四，否則執行步驟六；

步驟四：計算評價函數並判斷是否滿足f<fmin，滿足則執行步驟五，否則執行步驟三；其中，ω1，ω2表示輸入輸出電流相對重要程度的權重係數，分別表示輸入電流在k+1時刻的參考值和預測值，分別表示輸出電流在k+1時刻的參考值和預測值；

步驟五：更新fmin以及上、下橋臂的最優輸出電平執行步驟三；

步驟六：結束本次循環。

圖4是本發明一實施例下層模型預測控制算法流程圖。具體實施步驟：

步驟一：初始化變量橋臂子模塊開關組合狀態s，下層模型預測控制的評價函數fv，評價函數的最小值fvmin；

步驟二：採樣k時刻各子模塊電容電壓uc，以及橋臂電流iarm；

步驟三：更新橋臂開關組合狀態，並判斷是否滿足開關組合約束條件，即每一個模塊的的狀態s滿足-1≤s≤1，滿足則執行步驟四，否則執行步驟六；

步驟四：以上橋臂為例，計算評價函數並判斷是否滿足fv<fvmin且滿足則執行步驟五，否則執行步驟三；其中ucm(k+1)-uc(m-1)(k+1)表示同一橋臂兩兩子模塊的電容電壓之差，lopt表示由上層模型預測控制得到的橋臂最優輸出電平。

步驟五：更新fvmin以及橋臂最優開關組合狀態sopt，執行步驟三；

步驟六：結束本次循環。