级联型多电平中间电磁包感应加热电源控制方法及系统与流程

本发明涉及电力电子领域，特别是一种级联型多电平中间电磁包感应加热电源控制方法及系统。

背景技术：

1、连铸技术的实践表明，中间包低过热度恒温浇铸是提高铸坯质量和生产效率的有效途径。中间包通道式电磁感应加热系统能有效地控制中间包温度，实现中间包最佳过热度恒温浇铸，在特殊钢生产中得到了广泛地工程应用。中间包电磁感应加热电源能通过控制输出电流实现对中间包温度的控制，是中间包通道式电磁感应加热系统的关键设备之一。

2、现有的中间包电磁感应加热电源的电路拓扑包括级联型多电平中间包电磁感应加热电源和全桥型模块化多电平中间包电磁感应加热电源。级联型多电平中间包电磁感应加热电源由于所需功率单元数量较少和技术成熟可靠，得到了广泛地工程应用。

3、目前级联型多电平中间包电磁感应加热电源的控制方法主要有比例积分(pi)控制、比例谐振(pr)控制及模型预测控制等。其中pi控制只能对直流量进行无差控制，对交流量控制有静态误差；pr控制可以对单个交流频率进行无差跟踪，但在宽范围的频率段内控制效果不佳；模型预测控制(model predictive control，mpc)是一种基于系统模型的先进控制技术，通过预测系统未来的状态变量，采用一系列的性能优化指标，进而达到系统最优控制的目的。mpc具有动态响应速度快，鲁棒性好，数字实现简单的优点，在中间包电磁感应加热电源这类对温度控制精度和动态性能要求较高的特殊应用场合，相对于经典反馈控制来说更具有优势。

4、随着级联型中间包感应加热电源的功率单元小型化以及功率密度的提高，功率单元的温度对其能否安全可靠地运行影响很大。研究表明，功率器件的失效率随器件温度成指数关系增长。功率器件升温的直接来源是损耗，损耗分布不均匀会大大降低系统运行可靠性，也增大了装置散热设计难度，因此研究使中间包感应加热电源功率单元间开关动作均匀的控制方法具有重要意义。

5、发明专利申请cn109152118 a采用基于全桥型模块化多电平变换器的中间包电磁感应加热电源，由于其全桥子模块数量是级联型多电平中间包电磁感应加热电源的全桥功率单元数量的6倍，控制系统复杂，并且每个全桥子模块的电容处于悬浮状态，需要控制全桥子模块的电容电压保持平衡，其底层控制的开关动作与均压控制采用基于子模块电容电压排序的方式进行分配，主要存在以下问题：1)对所有全桥子模块电压排序的计算量较大，不易实现；2)基于全桥模块电容电压排序的开关动作分配无法实现全桥子模块之间的开关动作均衡分配，更无法实现全桥子模块内部左桥臂和右桥臂之间的开关分配均衡，导致全桥子模块之间以及全桥子模块内部左桥臂和右桥臂之间功率分配不均衡和损耗分布不均匀，降低了系统可靠性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种级联型多电平中间电磁包感应加热电源控制方法及系统，实现功率单元之间以及功率单元左桥臂和右桥臂之间的功率完全均衡。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种级联型多电平中间电磁包感应加热电源控制方法，包括以下步骤：

3、s1、采样k时刻级联型多电平逆变器输出电流io(k)、中间包电磁感应线圈的电压ud(k)和id(k)；

4、s2、利用下式获得k+1时刻电感电流的预测值、中间包电磁感应线圈电压的预测值和电流的预测值：

5、

6、其中，io(k+1)表示k+1时刻电感电流的预测值，ud(k+1)和id(k+1)分别表示k+1时刻中间包感应线圈电压的预测值和电流的预测值，qi(k+1)表示k+1时刻第i个全桥功率单元的输出电平状态，t表示采样周期，lf为滤波电感，n为级联型多电平中间电磁包感应加热电源的功率单元数量，ld和rd分别表示中间包电磁感应线圈的等效电感和等效电阻，c为并联补偿电容；

7、s3、以代价函数值最小时级联型多电平中间电磁包感应加热电源的输出电平数为最优电平数，将该最优电平数作为级联型多电平中间包电磁感应加热电源k+1时刻需要输出的电平数；所述代价函数g的表达式为：

8、g＝λ1|ioref(k+1)-io(k+1)|+λ2|udref(k+1)-ud(k+1)|+λ3|idref(k+1)-id(k+1)|；

9、其中，ioref(k+1)为输出电感电流的参考值，udref(k+1)为中间包电磁感应线圈电压的参考值，λ1、λ2和λ3分别为输出电感电流、中间包电磁感应线圈电压和电流的权重因子；

10、s4、利用下式计算k+1时刻的输出电平变化量δl：δl＝l(k+1)-l(k)；其中，l(k+1)为级联型多电平中间包电磁感应加热电源k+1时刻需要输出的电平数，l(k)为级联型多电平中间包电磁感应加热电源k时刻需要输出的电平数；将输出电平变化量分配至功率单元。

11、本发明无需对功率单元电容电压进行排序，并且以桥臂为单元进行开关信号分配，根据有限集控制开关状态寻优得到输出电平变化量，首先从第p个桥臂(p的初始值为1)开始分配脉冲，将开关脉冲依次分配给各个功率单元的左桥臂和右桥臂，在一个基波周期内实现各个功率单元之间、以及功率单元内部左桥臂和右桥臂之间的开关频率相同，然后在下一个基波周期内从第p+1个桥臂开始依次分配脉冲，将开关脉冲依次分配给各个功率单元的左桥臂和右桥臂，通过2n个基波周期时间，实现各个功率单元以及功率单元左桥臂和右桥臂之间的开关脉冲宽度相同和频率均相同，从而实现功率单元之间以及功率单元左桥臂和右桥臂之间的功率完全均衡。

12、其中，-n≤l(k)≤n，n为功率单元的数量，q[2i]表示第i个功率单元的右桥臂开关状态，q[2i-1]表示第i个功率单元的左桥臂开关状态，i＝1,2,…,n。

13、将输出电平变化量分配至功率单元的具体实现过程包括：

14、在第一个基波周期开始时，设置变量i＝1，t＝0，x＝1，m＝0；变量i和t对应输出电平数增加的情况，即δl>0；变量j和m对于输出电平数减少的情况，即δl<0；

15、若当前控制周期的输出电平变化量δl>0，则从第一个桥臂至第2n个桥臂依次改变δl个输出电平为0的桥臂状态，使δl个桥臂输出电平为1；

16、若当前控制周期的输出电平变化量δl<0，则从第一个桥臂至第2n个桥臂依次改变使δl个输出电平为1的桥臂状态，使δl个桥臂输出电平为0；

17、若当前控制周期的输出电平变化量δl＝0，则保持当前功率单元及其桥臂的输出电平状态不变。

18、若当前控制周期的输出电平变化量δl>0，还包括：

19、若当前控制周期的输出电平变化量δl>0并且i+t<2n，则从第i+t个桥臂开始分配开关脉冲信号，若第i+t个桥臂的开关状态为q[i+t]＝0，则将q[i+t]加1，增加第i+t个桥臂的输出电平，即第i+t个桥臂输出电平为1；若当前控制周期的输出电平变化量δl>0并且i+t>2n，则从第i+t-2n个桥臂开始分配开关脉冲信号，若第i+t-2n个桥臂的开关状态为q[i+t-2n]＝0，则将q[i+t-2n]加1，增加第i+t-2n个桥臂的输出电平，即第i+t-2n个桥臂输出电平为1；将输出电平数的变化量δl减1，对下一个桥臂，即第t+i+1个桥臂进行开关脉冲分配，直至输出电平数的变化量δl为0；若开关状态分配依次至第2n个桥臂，即i+t＝2n，表示已完成所有桥臂的脉冲分配，需重新进行一轮脉冲分配，若t+i<2n，则令i＝0并且t的值加1，下一轮循环从第i+t+1个桥臂开始进行脉冲分配；若t+i>2n，则i＝0并且t的值加1，下一轮循环从第i-2n+t+1个桥臂开始进行脉冲分配，依次进行2n轮桥臂脉冲分配后，重新从第一个桥臂开始分配脉冲；变量i对应系统的控制周期，变量t是循环分配变量，表示第t轮桥臂脉冲分配。

20、若当前控制周期的输出电平变化量δl<0，还包括：

21、若当前控制周期的输出电平变化量δl<0并且x+m<2n时，则从第x+m个桥臂开始分配开关脉冲信号，若第x+m个桥臂的开关状态为q[x+m]＝1，则q[x+m]的值减1，表示减少第x+m个桥臂的输出电平，即第x+m个桥臂输出电平为0；若当前控制周期的输出电平变化量δl<0并且i+t>2n，则从第x+m-2n个桥臂开始分配开关脉冲信号，若第x+m-2n个桥臂的开关状态为q[x+m-2n]＝1，则q[x+m-2n]的值减1，表示减少第x+m-2n个桥臂的输出电平，即第x+m-2n个桥臂输出电平为0；将输出电平数的变化量δl加1，对下一个桥臂，即第m+x+1个桥臂进行开关脉冲分配，直至输出电平数的变化量δl为0；若依次分配开关状态至第2n个桥臂，即x+m＝2n，表示已完成所有桥臂的脉冲分配，重新进行一轮脉冲分配，若m<2n，则令x＝0并且m的值加1，下一轮循环从第x+m+1个桥臂开始进行脉冲分配；若x+m>2n，则令x＝0并且m的值加1，下一轮桥臂脉冲分配从第x-2n+m+1个桥臂开始，依次进行2n轮桥臂脉冲分配后，重新从第一个桥臂开始分配脉冲，m是循环分配变量，x对应系统的控制周期。

22、本发明首先从第p个桥臂(p的初始值为1)开始分配脉冲，将开关脉冲依次分配给各个功率单元的左桥臂和右桥臂，在一个基波周期内实现各个功率单元之间、以及功率单元内部左桥臂和右桥臂之间的开关频率相同，然后在下一个基波周期内从第p+1个桥臂开始依次分配脉冲，将开关脉冲依次分配给各个功率单元的左桥臂和右桥臂，以此类推，通过2n个基波周期时间，实现各个功率单元以及功率单元左桥臂和右桥臂之间的开关脉冲宽度相同和频率均相同，从而实现功率单元之间以及功率单元左桥臂和右桥臂之间的功率完全均衡。

23、作为一个发明构思，本发明还提供了一种级联型多电平中间电磁包感应加热电源控制系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；处理器执行存储器上的计算机程序，以实现上述方法的步骤。

24、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用有限集控制开关状态寻优方法，可以在得到动态性能优越的输出波形的同时，提高系统响应速度，当中间包温度发生改变时，中间包电磁感应加热电源通过快速改变输出电平数来调节输出电压和电流，从而实现更快速的中间包温度调节，提高中间包温度的控制精度，并且使功率单元间以及功率单元左桥臂和右桥臂间开关频率和脉冲宽度相同，从而实现功率单元之间以及功率单元左桥臂和右桥臂之间的功率完全均衡，以此减少装置损耗，平均功率单元间温度，增加装置可靠性，简化散热设计难度。