中间包电磁感应加热系统多层控制方法与流程

本发明涉及一种基于模块化多电平交交变换的中间包电磁感应加热系统多层控制方法，适合于中频高压大功率中间包电磁加热的场合。

背景技术：

随着电力电子和半导体技术的进步，大功率高效率变频电源的出现极大地促进了钢材热处理感应加热技术的发展，中间包感应系统作为将电能转换为钢水热能的变换系统，其通过输出交变的电流在钢水中感应出电动势，进而产生感应电流。感应电流在钢水中流动产生焦耳热完成对钢水的加热，完成电能到热能的变换。中间包电磁感应加热系统通过降低钢水过热度，并维持恒温浇铸，进而提升钢材品种，是生产高品质纯净钢材的核心装备。中间包电磁感应加热系统具有功率大，输出电压等级高，电流控制精度要求高等特点。因此，对中间包感应加热系统控制方法的研究具有良好的理论和工程意义。

近年来随着冶金业的发展，大规模冶炼企业的中频感应加热负荷也越来越多。目前感应加热中频炉负荷的电源大多采用ac-dc-ac三级变换形式。多绕组变压器与二极管整流得到不可控的直流电，并作为后级h桥模块的输入电压，后级多个h桥输出级联实现高压交流输出；具有控制简单，结构可靠的优点，但绕线结构复杂，体积庞大。

近年来，基于h桥子模块级联多电平结构的中间包感应加热电源具有结构模块化，输出特性理想，多冗余的优点，得到了广泛的关注与研究。基于h桥模块级联的多电平模块化变换器(mmc)结构，能够直接实现ac-ac的变换，且具有功率双向流动等优点，是中间包电磁感应加热系统的发展方向。基于模块化多电平交交变换的中间包电磁感应加热系统，保护多个控制目标，且控制精度要求高，其控制策略是研究的重点。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种中间包电磁感应加热系统多层控制方法，实现对中间包电磁感应加热系统温度、输入电流、输出电流、模块电压的多目标控制。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种中间包电磁感应加热系统多层控制方法，包括顶层控制部分、中间层控制部分和底层控制部分；所述顶层控制部分包括整体平衡控制部分、桥臂间平衡控制部分和相间平衡控制部分；

所述整体平衡控制部分包括：采集电磁感应加热系统六个桥臂所有子模块电容电压udxi，并求和得到六个桥臂的总电容电压六个桥臂的总电容电压相加再取平均值得到总体电压平均值udav，总体电压平均值udav与指令值作差后经pi控制得到三相交流输入电流的d轴控制指令三相交流输入电流的q轴控制指令设置为零，d轴和q轴控制指令经dq/abc变换得到三相交流电流指令维持电磁感应加热系统所有子模块电压平衡；其中，x＝a,b,c；

所述桥臂间平衡控制部分包括：将各相上下桥臂总电容电压作差得到三相桥臂电压差δuda,δudb和δudc，δudb与δudc之和再与2*δuda作差，经pi控制后得到负序环流指令的d轴控制指令；δudc与δudb作差，经pi控制后得到负序环流指令的q轴控制指令，d轴和q轴控制指令经dq/abc变换得到三相负序环流电流指令和维持三相上下桥臂的电容电压平衡；

所述相间平衡控制部分包括：将各相上下桥臂总电容电压分别求和，得到三相桥臂电压和∑udai,∑udbi和∑udci，∑udb与∑udc之和与2*∑uda作差，经pi控制后得到正序环流指令的d轴控制指令；∑udb与∑udc作差，经pi控制后得到正序环流指令的q轴控制指令，d轴和q轴控制指令经dq/abc变换得到三相正序环流电流指令和维持三相桥臂的电容电压平衡；

所述中间层控制部分包括：建立如下目标优化函数：其中c1和c2分别表示差模电压和共模电压控制目标的权重因子；为差模电压参考值，由环流指令根据预测算法计算得到，为共模电压参考值，由交流输入指令根据预测算法计算得到；usx(k+1)为差模电压；ucx(k+1)为共模电压；选择使目标优化函数值最小的电平组合为最优输出电平，得到上桥臂和下桥臂下个控制周期的优化输出电平数nux(k+1)和nlx(k+1)；

所述底层控制部分包括：根据中间层电流预测控制得到的上桥臂和下桥臂下个控制周期的优化输出电平数，将开关动作分配至各个桥臂的子模块并维持子模块电容电压平衡。

三相交流输入电流的d轴控制指令其中kp为pi控制比例参数，ki分别为pi控制积分时间参数。

三相交流电流指令表达式为：

ωg为电网同步角频率。

三相负序环流电流指令和的表达式为：其中，

ωg为电网同步角频率。

三相正序环流电流指令和的表达式为：

其中，

θ＝ω0t，ω0为感应电流给定角频率。

所述底层控制部分的具体实现过程包括：

采集各桥臂子模块电容电压，并对桥臂子模块电容电压按由小到大进行排序；

当上桥臂电流iux大于或等于0，优化输出上桥臂电平数nux(k+1)大于等于0时，按照排序结果，选择上桥臂中子模块电容电压值最小的nux(k+1)个子模块输出1电平，其他子模块输出0电平；当iux大于或等于0，而优化输出电平数nux(k+1)小于0时，按照排序结果，选择上桥臂中子模块电容电压值最大的nux(k+1)个子模块输出-1，其他子模块输出0电平；

当下桥臂电流ilx大于或等于0，优化输出下桥臂电平数nlx(k+1)大于等于0时，按照排序结果，选择下桥臂中子模块电容电压值最小的nlx(k+1)个子模块输出1电平，其他子模块输出0电平；当ilx大于或等于0，而优化输出电平数nlx(k+1)小于0时，按照排序结果，选择下桥臂中子模块电容电压值最大的nlx(k+1)个子模块输出-1，其他子模块输出0电平；

当上桥臂电流iux小于0，优化输出上桥臂电平数nux(k+1)大于等于0时，按照排序结果，选择上桥臂中子模块电容电压值最大的nux(k+1)个子模块输出1，其他子模块输出0电平；当iux小于0，而优化输出电平数nux(k+1)小于0时，按照排序结果，选择上桥臂中子模块电容电压值最小的nux(k+1)个子模块输出-1，其他子模块输出0电平；

当下桥臂电流ilx小于0，优化输出下桥臂电平数nlx(k+1)大于等于0时，按照排序结果，选择下桥臂中子模块电容电压值最大的nlx(k+1)个子模块输出1，其他子模块输出0电平；当ilx小于0，而优化输出电平数nlx(k+1)小于0时，按照排序结果，选择下桥臂中子模块电容电压值最小的nlx(k+1)个子模块输出-1，其他子模块输出0电平；

当子模块输出1时，左边桥臂上管开通，下管关闭，右边桥臂上管关闭，下管开通；当子模块输出-1时，左边桥臂上管关闭，下管开通，右边桥臂上管开通，下管关闭；当子模块输出0时，左边桥臂上管关闭，下管开通，右边桥臂上管关闭，下管开通，或者左边桥臂上管开通，下管关闭，右边桥臂上管开通，下管关闭。

采用多层控制方法，顶层为温度控制和电压平衡控制，中层为电流预测控制，底层包括开关动作分配与均压控制。顶层温度控制与电压平衡控制求得输出电流指令、输入电流指令及环流电流指令作为中层电流预测控制目标，中层电流预测控制求得最优输出电平数目作为底层控制的输入。底层开关动作分配与均压控制将开关动作分配至子模块并维持子模块电容电压的平衡。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：采用了多层控制系统，能够实现系统温度、输入电流、输出电流、模块电压的多个目标协同控制，同时电流采用优化模型预测控制，能够减少数字控制系统的计算量，并实现交流输入电流、环流电流及输出电流的协同优化控制，且具有快速的动态响应特性。

附图说明

图1是模块化多电平交交变换的中间包电磁加热系统拓扑结构图；

图2是三层控制框图；

图3(a)～图3(d)为顶层温度与电压平衡控制框图；

图4是基于有限控制集合的电流预测控制框图；

图5是子模块电容电压平衡流程图。

具体实施方式

图1所示为用于本发明的模块化多电平交交变换的中间包电磁加热系统拓扑结构图，输入端为三相交流电源，uga，ugb,ugc分别为a，b，c三相交流相电压，isa，isb，isc分别为三相输入电流，输出端为中频交流，与中间包电磁加热装置相连，uo为输出电压。模块化多电平交交变换器由三相桥臂构成，每相桥臂采用n个h桥子模块级联，每个桥臂通过两个桥臂电感l相连。iux，ilx(x＝a,b,c)分别表示各相上下桥臂流过的电流，uux，ulx(x＝a,b,c)分别表示各相上下桥臂等效电压值。

图2所示为模块化多电平交交变换的中间包电磁加热系统的交流输入电流回路和环流等效电路模型。结合kvl，kcl方程建立差模电压和共模电压等效模型如下：

其中：

其中usx，ucx(x＝a,b,c)分别为各相差模电压和共模电压，isx，icx(x＝a,b,c)为输入电流和环流。

图2所示为三层控制策略，顶层为温度与电压平衡控制，中层为电流预测控制，底层为开关动作分配与均压控制。顶层温度与电压平衡控制包括温度控制，桥臂间平衡控制，相间平衡控制，整体平衡控制，由温度控制得到指令值为由桥臂间平衡控制得到的负序环流指令为由相间平衡控制得到的电流指令值为三者经过(11)式得到环流指令值为由整体平衡控制得到的交流输入电流的指令值为最终由顶层温度与电压平衡得到的指令为环流指令和交流输入电流指令中层采用基于有限控制集合的模型预测控制，根据电流控制指令计算出输出电压的预测值，根据上下桥臂输出电压组合，计算出各个电平组合对于的输出电压。再根据目标优化函数，计算各个电平组合定义的优化函数值，并进行比较，选择使目标优化函数值最小的输出电平组合作为下一个控制周期里各桥臂的输出电平指令。底层为开关动作分配与均压控制，根据中间层电流预测控制得到的上桥臂和下桥臂下个控制周期的优化输出电平数nux(k+1)和nlx(k+1)(x＝a,b,c)，将开关动作分配至各个桥臂的子模块并维持子模块电容电压平衡。最终将检测得到的温度t，子模块电压udxi，环流icx，交流输入电流isx，输出电压uo等参数经处理后反馈给顶层控制和中层控制。其中参数的处理如下：

δudx＝∑ulxi-∑uuxi(5)

δudx(x＝a,b,c)为三相桥臂电压差，∑udx(x＝a,b,c)三相桥臂电压和，为六个桥臂的总电容电压。

图3(a)～图3(d)为顶层温度与电压平衡控制框图。图3(a)是温度控制，温度控制采用pid控制器，将检测的温度与给定的温度指令值做差，差值经pid控制后再与输出电流的同步信号相乘，得到零序电流指令值图3(b)是整体控制平衡，整体平衡用于维持感应加热电源所有子模块电压平衡，将六个桥臂的总电容电压与总电压参考值做差得到的误差信号经pi控制器后与电网同步信号相乘，得到交流输入电流信号图3(c)是桥臂间平衡控制，各相上下桥臂总电容电压作差得到三相桥臂电压差δuda,δudb和δudc。δudb与δudc之和再与2*δuda作差，经pi控制后得到负序环流指令的d轴控制指令；δudc与δudb作差，经pi控制后得到负序环流指令的q轴控制指令，d轴和q轴控制指令经dq/abc变换得到三相负序环流电流指令图3(d)是相间平衡控制，各相上下桥臂总电容电压分别求和得到三相桥臂电压和∑uda,∑udb和∑udc。∑udb与∑udc之和再与2*∑uda作差，经pi控制后得到正序环流指令的d轴控制指令；∑udb与∑udc作差，经pi控制后得到正序环流指令的q轴控制指令，d轴和q轴控制指令经dq/abc变换得到三相正序环流电流指令

图4为基于有限控制集合的电流预测控制框图，以各相上下桥臂输出电平组合作为有限控制集合。以各相顶层得到的环流指令和交流输入指令作为第k+1次的协同控制目标，根据预测算法得到的第k+1次差模电压指令值和共模电压指令值并建立目标优化函数g，以上下桥臂输出电平的组合作为有限控制集合，循环计算每个电平组合对应的目标优化函数值，并循环比较，最终选择使目标优化函数值最小的电平组合为最优输出电平，得到上桥臂和下桥臂下个控制周期的优化输出电平数nux(k+1)和nlx(k+1)。

图5为子模块电容电压平衡流程图。假定当子模块输出1时，左边桥臂上管开通，下管关闭，右边桥臂上管关闭，下管开通；当子模块输出-1时，左边桥臂上管关闭，下管开通，右边桥臂上管开通，下管关闭；当子模块输出0时，左边桥臂上管关闭，下管开通，右边桥臂上管关闭，下管开通，或者左边桥臂上管开通，下管关闭，右边桥臂上管开通，下管关闭。则流程图执行过程如下：

1)采集各桥臂子模块电压，并对桥臂子模块电容电压按由小到大进行排序。

2)当桥臂电流iux(上桥臂)大于或等于0，且优化输出电平数nux(k+1)(上桥臂)大于等于0时；按排序结果，选择子模块电容电压值最小的nux(k+1)(上桥臂)个子模块输出1，其他子模块输出0。

3)当桥臂电流iux(上桥臂)大于或等于0，且优化输出电平数nux(k+1)(上桥臂)小0时；按排序结果，选择子模块电容电压值最大的nux(k+1)(上桥臂)个子模块输出-1，其他子模块输出0。

4)当桥臂电流iux(上桥臂)小于0，且优化输出电平数nux(k+1)(上桥臂)大于等于0时；按排序结果，选择子模块电容电压值最大的nux(k+1)(上桥臂)个子模块输出1，其他子模块输出0。

5)当桥臂电流iux(上桥臂)小于0，且优化输出电平数nux(k+1)(上桥臂)小0时；按排序结果，选择子模块电容电压值最小的nux(k+1)(上桥臂)个子模块输出-1，其他子模块输出0。