一种基于热管理的改进型模型预测电流控制方法

1.本发明涉及整流器一种基于热管理的改进型模型预测电流控制方法，特别涉及单相全控h桥整流器，属于整流器控制技术领域。


背景技术：

2.随着电力电子行业在工业领域的快速发展，有限集模型预测电流控制因其动态性能好、鲁棒性强、能够以非常直观的方式轻松处理多变量情况和系统非线性约束等优点，被广泛应用于各个领域。然而，传统的模型预测算法中网侧电流实际值与给定值之间存在静态误差，造成波形正弦度不高，这是由模型预测控制算法的基本原理决定的，且网侧电流谐波较大也会造成开关器件基频结温波动和平均温度较大，影响电流质量及开关器件使用寿命。
3.目前大多数基于整流器的控制策略都是以维持直流侧电压恒定、减小网侧电流谐波含量等为控制目标，并未考虑igbt结温均衡、结温波动等温度方面的因素，而这些都是影响硬件结构的整体性能和寿命的关键因素。研究表明，大约60％的igbt故障是由温度引起的，温度每升高10℃，igbt故障的概率大约增加一倍。如开关器件结温波动大、平均温度高会加速器件的封装组件或材料的疲劳断裂，导致器件寿命降低；结温不均衡会使得某个开关器件提前损坏，从而影响整个系统的可靠性。
4.传统基于温度的控制方式中实现igbt结温均衡的方法一般有两种，一种是在线计算开关器件结温进行直接控制，另一种是实时采集igbt的壳温作为反馈量进行间接反馈控制，实现过程均比较复杂，不利于控制，且提高了设计成本。
5.因此，为了提高变换器的整体可靠性，延长其使用寿命，将研究重点放在热管理策略上，将其与相应的预测控制算法相结合，减小算法实现的复杂度，并进一步提升系统的整体性能和控制精度，具有十分重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种改进型的模型预测电流控制方法，并且引入了热管理策略。该方法首先在传统的定频有限集模型预测控制基础上，将每个采样周期内有效矢量与零矢量的动作序列因素代入到评价函数中，结合最小电流误差评价函数进行寻优，从而选取最优两矢量及动作序列。与传统预测控制相比，该方法可使网侧电流实际值与给定值间的稳态误差缩小，谐波含量降低且正弦度较高，因此开关器件的结温波动幅度和平均温度也会随之减小。但以上方法并不能均衡igbt器件的结温，这就会导致一些开关管提前损坏，从而影响整个系统的使用寿命。为了实现结温均衡，本发明在评价函数寻优结束后，以采样周期为单位灵活选取两种零矢量进行周期性切换，使四个开关器件的使用次数和开关频率尽可能一致，当四个开关器件的通态损耗与开关损耗相加基本相同时，其结温便可达到均衡。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.本发明基于热管理的改进型模型预测电流控制研究步骤如下：
9.(1)定义全控h桥两个桥臂的开关函数为sa、sb(上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断时为1；上桥臂开关管关断，下桥臂开关管导通时为0)，可知开关函数sa、sb共有四种组合模式，分别为00、01、10、11，定义由01、10两种组合方式构成的矢量v
01
、v
10
为有效矢量，由00、11两种组合方式构成的矢量v
00
、v
11
为零矢量，每种矢量对应一种开关状态，利用下式计算交流侧合成电压u
con
，
[0010][0011]
(2)将整流器的采样周期ts、网侧电感值lh代入算法中，并对网侧电压us、电感电流is、直流侧电压u
dc
进行采样，将采样数据也代入到改进型模型预测电流控制算法中进行计算；
[0012]
定义第一矢量电感电流变化率为r1，第二矢量电感电流变化率为r2(r1≠r2)；由于每种开关状态会对电感电流和直流侧电压产生不同的影响，因此可以通过u
con
对电感电流变化率r1、r2进行区分，
[0013][0014]
(3)根据电流追踪情况建立评价函数，在采取无差拍延时补偿控制之前，暂定义k+1时刻网侧电流实际值与参考值差值的平方为评价函数j'
(1)
，利用下式进行计算，
[0015]
j'
(1)
＝[is(k+1)-i
s*
(k+1)]2[0016]
其中,is(k+1)为k+1时刻电感电流实际值，is*(k+1)为k+1时刻电感电流参考值，由拉格朗日外推法可求出；
[0017]
(4)由于未来时刻电感电流的实际输出值不仅会受到不同作用矢量的影响，也会由两矢量各自的作用时间所决定；定义第一矢量作用时间为t
on
，当t
on
取最优值时，判断实际与参考电流差值的评价函数j'
(1)
取最小值，
[0018][0019]
(5)根据步骤(3)(4)，可以求出，
[0020][0021]
若求得t
on
》ts，则令t
on
＝ts；若求得t
on
《0，则令t
on
＝0；
[0022]
(6)根据步骤(2)(5)，可以得出k+1时刻预测电流值，
[0023]is
(k+2)＝is(k+1)+r1t
on
+r2(t
s-t
on
)
[0024]
(7)在实现过程中，从采样过程开始到经过历遍寻优需要一定的计算时间，会造成一定的差拍延迟，影响控制精度；为了消除这种误差，本发明采用延时补偿策略，通过提前预测k+2时刻的电流值，作用在k+1时刻进行控制，使结果更加准确，则k+2时刻电流值为，
[0025]is
(k+2)＝is(k+1)+r1t
on
+r2(t
s-t
on
)
[0026]
(8)由预测控制原理可知，若选择的电压矢量和作用时间不变，则最终作用效果相同，不影响评价函数的滚动寻优；因此，本发明在保证电压矢量和作用时间不变的情况下，在每个采样周期内，通过设计评价函数判断两矢量交替处电流实际值和给定值的最小差值，选取有效矢量和零矢量的最优作用顺序，使两矢量与参考值围成的积分区间面积变小来降低电感电流的thd值，减小稳态电流误差，进一步提高控制精度，从而降低开关器件的平均温度和结温波动；
[0027]
定义i
s_m
为每个电压矢量当作第一矢量后，经过t
on
作用时间结束后的值，利用下式进行计算i
s_m
，i
s_m
＝is(k+1)+r1t
on
[0028]
(9)根据电流追踪情况和最优两矢量动作序列选择建立评价函数j，令k+2时刻网侧电流实际值与参考值差值的平方为评价函数j
(1)
，令使i
s_m
与k+2时刻电流参考值差值平方最小的矢量为第一作用矢量，其评价函数为j
(2)
；从而在一个采样周期内选取最优的有效矢量、零矢量以及两者的动作序列；利用下式计算总的评价函数j，
[0029]
j＝λ1·j(1)
+λ2·j(2)
[0030]
＝λ1·
[is(k+2)-i
s*
(k+2)]2+λ2·
[i
s_m-i
s*
(k+2)]2[0031]
其中，is(k+2)为k+2时刻电感电流实际值，is*(k+2)为k+2时刻电感电流参考值，λ1和λ2分别为评价函数的权重系数；
[0032]
(10)根据模型预测控制原理和调制策略，以采样周期为单位轮换选择两种零矢量交替使用；在系统运行时间内，让每一种零矢量出现的次数相同，并与有效矢量相结合，使得每个开关器件的工作次数和开关损耗尽可能保持一致，而每个器件在一段时间内通态损耗基本相等，因此总损耗相同，从而保证了结温的均衡；
[0033]
(11)通过以上计算过程得出k+2时刻对应的最优开关状态，作用在k+1时刻，从而输出pwm控制信号，控制整流器igbt开关器件的通断。
[0034]
本发明的优势在于：
[0035]
(1)本发明提升了网侧电流追踪能力，基本实现了零稳态电流误差，且网侧电流正弦度较高，提高了系统的控制精度。
[0036]
(2)本发明减小了网侧电流的纹波，谐波较低，从而使得开关管的结温波动幅度和平均温度降低，减少了系统整体损耗，提高了igbt开关器件的使用寿命。
[0037]
(3)本发明改进的算法可以平均分配每个开关器件的使用次数和开关损耗，使得其总损耗基本相同，实现了四个开关器件的结温均衡，同时避免了在线计算igbt温度或实时采集温度方式计算量大、实现复杂的问题。
[0038]
下面将结合实施例参照附图进行详细说明。
附图说明
[0039]
图1为本发明实施例中单相全控h桥整流器的结构拓扑图；
[0040]
图2为本发明改进型模型预测电流控制方法的控制框图；
[0041]
图3为本发明改进型模型预测电流控制方法的控制流程图；
[0042]
图4为传统定频有限集模型预测控制下的整流器igbt结温情况仿真图；
[0043]
图5为本发明所提算法控制下的整流器igbt结温情况仿真图；
具体实施方式
[0044]
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。本发明通过附图描述的实施方式是示例性的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于本实施例。
[0045]
实施例：
[0046]
参照图1，对单相全控h桥整流器应用本发明。如图1所示，定义us为交流侧输入电压，is为电感电流，u
con
为h桥交流侧合成电压，s1～s4分别为igbt开关管，d1～d4分别为igbt相对应的反并联二极管，l为交流侧电感，rs为内阻，c为直流侧滤波电容，r为等效负载，u
dc
为直流侧电压。
[0047]
本发明基于热管理的改进型模型预测电流控制研究步骤如下：
[0048]
(1)定义全控h桥两个桥臂的开关函数为sa、sb(上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断时为1；上桥臂开关管关断，下桥臂开关管导通时为0)，可知开关函数sa、sb共有四种组合模式，分别为00、01、10、11，定义由01、10两种组合方式构成的矢量v
01
、v
10
为有效矢量，由00、11两种组合方式构成的矢量v
00
、v
11
为零矢量，每种矢量对应一种开关状态，利用下式计算交流侧合成电压u
con
，
[0049][0050]
(2)将整流器的采样周期ts、网侧电感值lh代入算法中，并对网侧电压us、电感电流is、直流侧电压u
dc
进行采样，将采样数据也代入到改进型模型预测电流控制算法中进行计算；
[0051]
定义第一矢量电感电流变化率为r1，第二矢量电感电流变化率为r2(r1≠r2)；由于每种开关状态会对电感电流和直流侧电压产生不同的影响，因此可以通过u
con
对电感电流变化率r1、r2进行区分，
[0052][0053]
(3)根据电流追踪情况建立评价函数，在采取无差拍延时补偿控制之前，暂定义k+1时刻网侧电流实际值与参考值差值的平方为评价函数j'
(1)
，利用下式进行计算，
[0054]
j'
(1)
＝[is(k+1)-i
s*
(k+1)]2[0055]
其中,is(k+1)为k+1时刻电感电流实际值，is*(k+1)为k+1时刻电感电流参考值，由拉格朗日外推法可求出；
[0056]
(4)由于未来时刻电感电流的实际输出值不仅会受到不同作用矢量的影响，也会由两矢量各自的作用时间所决定；定义第一矢量作用时间为t
on
，当t
on
取最优值时，判断实际与参考电流差值的评价函数j'
(1)
取最小值，
[0057]
[0058]
(5)根据步骤(3)(4)，可以求出，
[0059][0060]
若求得t
on
》ts，则令t
on
＝ts；若求得t
on
《0，则令t
on
＝0；
[0061]
(6)根据步骤(2)(5)，可以得出k+1时刻预测电流值，
[0062]is
(k+2)＝is(k+1)+r1t
on
+r2(t
s-t
on
)
[0063]
(7)在实现过程中，从采样过程开始到经过历遍寻优需要一定的计算时间，会造成一定的差拍延迟，影响控制精度；为了消除这种误差，本发明采用延时补偿策略，通过提前预测k+2时刻的电流值，作用在k+1时刻进行控制，使结果更加准确，则k+2时刻电流值为，
[0064]is
(k+2)＝is(k+1)+r1t
on
+r2(t
s-t
on
)
[0065]
(8)由预测控制原理可知，若选择的电压矢量和作用时间不变，则最终作用效果相同，不影响评价函数的滚动寻优；因此，本发明在保证电压矢量和作用时间不变的情况下，在每个采样周期内，通过设计评价函数判断两矢量交替处电流实际值和给定值的最小差值，选取有效矢量和零矢量的最优作用顺序，使两矢量与参考值围成的积分区间面积变小来降低电感电流的thd值，减小稳态电流误差，进一步提高控制精度，从而降低开关器件的平均温度和结温波动；
[0066]
定义i
s_m
为每个电压矢量当作第一矢量后，经过t
on
作用时间结束后的值，利用下式进行计算i
s_m
，
[0067]is_m
＝is(k+1)+r1t
on
[0068]
(9)根据电流追踪情况和最优两矢量动作序列选择建立评价函数j，令k+2时刻网侧电流实际值与参考值差值的平方为评价函数j
(1)
，令使i
s_m
与k+2时刻电流参考值差值平方最小的矢量为第一作用矢量，其评价函数为j
(2)
；从而在一个采样周期内选取最优的有效矢量、零矢量以及两者的动作序列；利用下式计算总的评价函数j，
[0069]
j＝λ1·j(1)
+λ2·j(2)
[0070]
＝λ1·
[is(k+2)-i
s*
(k+2)]2+λ2·
[i
s_m-i
s*
(k+2)]2[0071]
其中，is(k+2)为k+2时刻电感电流实际值，is*(k+2)为k+2时刻电感电流参考值，λ1和λ2分别为评价函数的权重系数；
[0072]
(10)根据模型预测控制原理和调制策略，以采样周期为单位轮换选择两种零矢量交替使用；在系统运行时间内，让每一种零矢量出现的次数相同，并与有效矢量相结合，使得每个开关器件的工作次数和开关损耗尽可能保持一致，而每个器件在一段时间内通态损耗基本相等，因此总损耗相同，从而保证了结温的均衡；
[0073]
(11)通过以上计算过程得出k+2时刻对应的最优开关状态，作用在k+1时刻，从而输出pwm控制信号，控制整流器igbt开关器件的通断。
[0074]
在plecs仿真软件中将两种控制策略下的整流器网侧电压设定为40v，直流侧输出电压值设定为100v，负载为50ω，其余参数也保持一致，运行至稳态时观测其结温情况。参照图4、图5，本发明所提出的基于热管理的改进型模型预测电流控制方法能够更好的降低igbt的结温波动和平均温度，同时可使开关器件结温达到均衡，从而提高了开关器件的使用寿命和变换器整体的可靠性，验证了本发明的有效性。
[0075]
上面所述的实施例仅为本发明技术思想的说明，并非对本发明的构思和范围进行
限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于热管理的改进型模型预测电流控制方法，涉及单相全控h桥整流器，其特征在于，包括如下步骤：(1)定义全控h桥两个桥臂的开关函数为s
a
、s
b
(上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断时为1；上桥臂开关管关断，下桥臂开关管导通时为0)，可知开关函数s
a
、s
b
共有四种组合模式，分别为00、01、10、11，定义由01、10两种组合方式构成的矢量v
01
、v
10
为有效矢量，由00、11两种组合方式构成的矢量v
00
、v
11
为零矢量，每种矢量对应一种开关状态，利用下式计算交流侧合成电压u
con
，(2)将整流器的采样周期t
s
、网侧电感值l
h
代入算法中，并对网侧电压u
s
、电感电流i
s
、直流侧电压u
dc
进行采样，将采样数据也代入到改进型模型预测电流控制算法中进行计算；定义第一矢量电感电流变化率为r1，第二矢量电感电流变化率为r2(r1≠r2)；由于每种开关状态会对电感电流和直流侧电压产生不同的影响，因此可以通过u
con
对电感电流变化率r1、r2进行区分，(3)根据电流追踪情况建立评价函数，在采取无差拍延时补偿控制之前，暂定义k+1时刻网侧电流实际值与参考值差值的平方为评价函数j'
(1)
，利用下式进行计算，j'
(1)
＝[i
s
(k+1)-i
s*
(k+1)]2其中,i
s
(k+1)为k+1时刻电感电流实际值，i
s
*(k+1)为k+1时刻电感电流参考值，由拉格朗日外推法可求出；(4)由于未来时刻电感电流的实际输出值不仅会受到不同作用矢量的影响，也会由两矢量各自的作用时间所决定；定义第一矢量作用时间为t
on
，当t
on
取最优值时，判断实际与参考电流差值的评价函数j'
(1)
取最小值，(5)根据步骤(3)(4)，可以求出，若求得t
on
>t
s
，则令t
on
＝t
s
；若求得t
on
<0，则令t
on
＝0；(6)根据步骤(2)(5)，可以得出k+1时刻预测电流值，i
s
(k+2)＝i
s
(k+1)+r1t
on
+r2(t
s-t
on
)(7)在实现过程中，从采样过程开始到经过历遍寻优需要一定的计算时间，会造成一定的差拍延迟，影响控制精度；为了消除这种误差，本发明采用延时补偿策略，通过提前预测k+2时刻的电流值，作用在k+1时刻进行控制，使结果更加准确，则k+2时刻电流值为，
i
s
(k+2)＝i
s
(k+1)+r1t
on
+r2(t
s-t
on
)(8)由预测控制原理可知，若选择的电压矢量和作用时间不变，则最终作用效果相同，不影响评价函数的滚动寻优；因此，本发明在保证电压矢量和作用时间不变的情况下，在每个采样周期内，通过设计评价函数判断两矢量交替处电流实际值和给定值的最小差值，选取有效矢量和零矢量的最优作用顺序，使两矢量与参考值围成的积分区间面积变小来降低电感电流的thd值，减小稳态电流误差，进一步提高控制精度，从而降低开关器件的平均温度和结温波动；定义i
s_m
为每个电压矢量当作第一矢量后，经过t
on
作用时间结束后的值，利用下式进行计算i
s_m
，i
s_m
＝i
s
(k+1)+r1t
on
(9)根据电流追踪情况和最优两矢量动作序列选择建立评价函数j，令k+2时刻网侧电流实际值与参考值差值的平方为评价函数j
(1)
，令使i
s_m
与k+2时刻电流参考值差值平方最小的矢量为第一作用矢量，其评价函数为j
(2)
；从而在一个采样周期内选取最优的有效矢量、零矢量以及两者的动作序列；利用下式计算总的评价函数j，j＝λ1·
j
(1)
+λ2·
j
(2)
＝λ1·
[i
s
(k+2)-i
s*
(k+2)]2+λ2·
[i
s_m-i
s*
(k+2)]2其中，i
s
(k+2)为k+2时刻电感电流实际值，i
s
*(k+2)为k+2时刻电感电流参考值，λ1和λ2分别为评价函数的权重系数；(10)根据模型预测控制原理和调制策略，以采样周期为单位轮换选择两种零矢量交替使用；在系统运行时间内，让每一种零矢量出现的次数相同，并与有效矢量相结合，使得每个开关器件的工作次数和开关损耗尽可能保持一致，而每个器件在一段时间内通态损耗基本相等，因此总损耗相同，从而保证了结温的均衡；(11)通过以上计算过程得出k+2时刻对应的最优开关状态，作用在k+1时刻，从而输出pwm控制信号，控制整流器igbt开关器件的通断。

技术总结
本发明以单相全控H桥整流器为研究对象，提供了一种基于热管理的改进型模型预测电流控制方法。主要包括数据采样、滚动计算、无差拍延时补偿、评价函数寻优、零矢量周期性切换等环节。本发明对传统定频有限集模型预测控制做出改进，将矢量动作序列因素加入到评价函数中进行寻优，并以采样周期为单位灵活选取两种零矢量交替使用。与传统模型预测控制策略相比，交流侧电流谐波更低，且能够减小稳态电流误差，从而降低系统整体的结温波动和平均温度，并且可以均衡开关器件的结温，提高开关器件使用寿命和变换器的可靠性。用寿命和变换器的可靠性。用寿命和变换器的可靠性。


技术研发人员：程红 王聪 李壮 赵志浩 田长庚 赵晨宇 吕嘉琪 李梓博
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8