阅读说明：本技术 适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制方法及系统 (Thermal stress balance prediction control method and system suitable for multi-level converter ) 是由 罗安 韩蓉 徐千鸣 丁红旗 唐成 汪亮 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制方法及系统,涉及电力电子变换器控制技术。所述热应力平衡预测控制方法及系统,先根据控制变量参考值和控制变量输出预测值来构建代价函数,确定最优的输出总电平和电平增量,再根据电平增量确定能动作的模块,最后根据结温值设计开关分配函数,确定需要动作的模块,将电平增量分配到需要动作的模块,该控制方法中代价函数根据输出预测值来设计,且无修正,保证了输出精度；开关分配函数以用于反应各模块热应力的结温值为设计依据,通过开关分配函数确定模块的开关状态,达到了多模块热应力平衡的效果。(The invention discloses a thermal stress balance prediction control method and system suitable for a multilevel converter, and relates to the control technology of a power electronic converter. The thermal stress balance prediction control method and the system construct a cost function according to a control variable reference value and a control variable output predicted value, determine an optimal output total level and a level increment, then determine an operable module according to the level increment, finally design a switch distribution function according to a junction temperature value, determine a module required to be operated, and distribute the level increment to the module required to be operated, wherein the cost function is designed according to the output predicted value in the control method without correction, so that the output precision is ensured; the switch distribution function takes the junction temperature value for reflecting the thermal stress of each module as a design basis, and determines the switch state of the module through the switch distribution function, so that the effect of multi-module thermal stress balance is achieved.)

适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制方法及系统

技术领域

本发明属于电力电子变换器控制技术，尤其涉及一种适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制方法及系统。

背景技术

随着我国经济的逐渐发展，对中高压、大功率变流器的需求量逐渐增加，对其容量的需求甚至达到了上百MVA。然而由于电力电子器件自身的耐压等级及容量有所限制，传统的两电平变换器在很多情况下已经不能满足现有的工业需求。为了提高电力电子装置处理较大功率的能力，多电平变换器受到学术界的广泛关注，各国学者开展了大量研究工作。多电平变换器是一种从拓扑结构入手的新型高压大功率变流器，它不仅可以得到高质量的输出波形，还能克服很多传统两电平变流器的不足，无需动态均压电路以及输出端变压器。多电平变换器通过改变其自身的拓扑结构，将多个功率器件连接起来，输出更多台阶的阶梯波，输出波形更加接近正弦波，可以实现中高压、大容量、高性能的需求。

多电平变换器具有良好的输出性能，除了输出性能之外，可靠性通常是变换器的一个非常重要的设计标准，特别是对于接入环境受限的特殊应用场合，比如高温高压环境、军舰和密闭舱等。关于可靠性，功率半导体是变换器中最敏感的部件之一，其寿命周期主要是受热循环幅值和平均结温值影响的。然而，由于在复杂的输出任务下多电平变换器电气参数和控制变量的不平衡，模块之间存在热不平衡的问题。长期处于高结温的模块损坏的可能性更高，可能会导致整个装置甚至系统崩溃，严重降低系统运行可靠性。对设备的正常运行造成了重大威胁，所以在多模块之间进行合理的热应力管理具有重要意义。

当前，考虑热应力的控制策略按照所处的运行层次可分为功率器件层、换流器调制层、换流器控制层和系统控制层四类。功率器件层热应力控制主要是通过调整功率器件开关轨迹和控制导通压降来降低热应力，比如改变驱动电压、驱动电阻、开通/关断延迟时间等。目前已应用于减小并联器件热应力不均、抑制风电变流器结温波动等场合，虽然通用性强，然而该方法通常需要增加额外的硬件电路。换流器调制层热应力控制是通过改变调制方法来改变功率器件的开关序列，进而对器件损耗进行改善的方法，该方法借助换流器特有的冗余开关状态实现热优化，无需增加额外电路，工程应用价值高，但是通常只能用于特定拓扑。变换器控制层热应力控制是通过调整与结温相关的状态变量来对热应力进行优化，比如开关频率，输出功率和直流侧电压等，但是其热控制目标与其他控制目标较难兼容，热应力控制通常会影响输出效果。系统控制层热应力控制是利用系统中不同装置的互补运行特性，协调各装置控制目标，在保证系统整体性能不变的前提下，优化换流器中器件的热应力，该方法利用系统之间不同装置的互补特性，对系统整体成本和输出性能影响较小，是一种理想的热控制策略，但是其通用性较差，难以应用于单独使用的变换器。

上述所提热应力控制策略多是基于损耗优化或结温平滑的方式，通过减少功率器件的热应力或者减少热摆幅以改善热性能，对于多电平变换器模块之间热应力平衡问题的研究相对较少。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制方法及系统，在保证输出精度的同时，平衡模块之间的热应力，均衡模块的老化速度，使整个装置的寿命最大化。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制方法，包括以下步骤：

步骤1：采集多电平变换器在k时刻的控制变量输出瞬时值，由该控制变量输出瞬时值得到k+1时刻不同开关状态组合下的控制变量输出预测值；

步骤2：设定k+1时刻控制变量参考值，根据k+1时刻控制变量参考值和步骤1的控制变量输出预测值构建代价函数，在有限控制集的约束下，以代价函数最小对应的总电平作为k+1时刻的最优输出总电平，并得到k+1时刻最优状态下的电平增量；

步骤3：根据步骤2的电平增量选出k+1时刻能动作的模块；

步骤4：采集各功率器件的导通电压和电流，由所述导通电压和电流估算出各模块功率器件的结温值；

步骤5：根据步骤4的结温值构建模块的开关分配函数，根据每个模块的开关分配函数在步骤3能动作的模块中选出k+1时刻需要动作的模块；

步骤6：将步骤2的电平增量分配至需要动作的模块的具体桥臂，以实现多模块热应力的平衡。

本发明所述热应力平衡预测控制方法，先根据控制变量参考值和控制变量输出预测值来构建代价函数，通过有限控制集来选择最优的输出总电平，并确定电平增量，然后根据电平增量确定能动作的模块，实现模块的开关状态分配，最后根据结温值构建开关分配函数，确定需要动作的模块；该控制方法中代价函数根据输出预测值来设计，且***，保证了输出精度；开关分配函数以用于反应各模块热应力的结温值为设计依据，通过开关分配函数确定模块的开关状态，达到了多模块热应力平衡的效果，减少了多电平变换器的损耗，增加了可靠性和使用寿命，简化了散热设计难度。

进一步地，所述步骤2中，代价函数的具体表达式为：

其中，g为多电平变换器的代价函数，

为k+1时刻第j个控制变量参考值，x_j ^p(k+1)为k+1时刻不同开关状态组合下的第j个控制变量的输出预测值，λ_j为第j个控制变量对应的权重系数，n为控制变量的数量。

该代价函数是根据控制变量参考值和控制变量输出预测值直接得到的，并***，保证了多电平变换器的输出精度。

进一步地，所述步骤2中，以k时刻多电平变换器输出总电平H(k)前后邻近的Z个电平状态作为有限控制集，k+1时刻输出总电平H(k+1)在有限控制集的约束为：

H(k+1)∈{H(k)-Z,H(k)-Z+1,…,H(k),…,H(k)+Z-1,H(k)+Z}

其中，H(k)＝Q₁(k)+…+Q_i(k)+…+Q_m(k)，Q_i(k)为第i个模块在k时刻的输出电平，m为多电平变换器的模块总数量，Q_i(k)＝1,0,-1。

进一步地，所述步骤3中，k+1时刻能动作的模块的选出方法为：

当电平增量ΔH>0时，从当前输出电平Q_i(k)为-1或者0的模块中选出能动作的模块；当电平增量ΔH<0时，从当前输出电平Q_i(k)为1或者0的模块中选出能动作的模块；当电平增量ΔH＝0时，下一时刻输出电平Q_i(k+1)与当前输出电平Q_i(k)保持一致，各个模块中功率器件在下一时刻的状态与在当前时刻的状态保持一致。

进一步地，所述步骤5中，第i个模块的开关分配函数的具体表达式为

其中，C_i(k)为第i个模块在k时刻的开关分配函数，

为第i个模块在0到k时刻开关的动作次数累计值，

为第i个模块在k时刻功率器件的结温值，α为分配因子。

模块的开关分配函数包括两个部分，一个部分是模块开关的动作次数累计值，反映了模块的开关动作频率，保证了各模块开关动作频率均匀，另一个部分为与热应力相关的结温值，通过结温值来进行多模块的开关分配，保证了各模块的热应力平衡；增加分配因子α，使和

保持在同一数量级，以更好地反映

和

对多模块之间热应力的平衡作用。

进一步地，所述步骤5中，需要动作的模块的选出方法为：

步骤5.1：在每一控制周期，计算出所有能动作的模块的开关分配函数值；

步骤5.2：对计算出的开关分配函数值进行排序，

步骤5.3：从开关分配函数值序列的最大值开始，选取与开关分配函数值对应的|ΔH|个模块作为k+1时刻需要动作的模块，ΔH为k+1时刻的电平增量；

步骤5.4：将需要动作的模块对应的开关动作次数累计值清零，将不需要动作的模块对应的开关动作次数累计值继续累加计数。

进一步地，所述步骤6中，电平增量分配至需要动作的模块的具体桥臂的具体方法为：每个模块的桥臂包括左桥臂和右桥臂，对第i个模块引入状态标志位flagi；

如果flagi＝1，则优先对第i个模块的左桥臂或右桥臂的开关状态进行判定，如果左桥臂或右桥臂的开关能动作，则根据电平增量动作左桥臂或右桥臂，如果左桥臂或右桥臂的开关不能动作，则根据电平增量动作右桥臂或左桥臂；

如果flagi＝－1，则优先对第i个模块的右桥臂或左桥臂的开关状态进行判定，如果右桥臂或左桥臂的开关能动作，则根据电平增量动作右桥臂或左桥臂，如果右桥臂或左桥臂的开关不能动作，则根据电平增量动作左桥臂或右桥臂；

右桥臂或左桥臂的开关每次动作后flagi取反，以平衡每个模块左桥臂和右桥臂开关的动作次数。

相应的，一种适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制系统，用于实现所述热应力平衡预测控制方法，包括：

输出预测模块，用于获取多电平变换器当前时刻的控制变量输出瞬时值，并根据所述控制变量输出瞬时值得到下一时刻不同开关状态组合下的控制变量输出预测值；

有限集开关状态寻优模块，用于在有限控制集的约束下，根据给定的下一时刻的控制变量参考值和所述控制变量输出预测值得到下一时刻的输出总电平和下一时刻的电平增量；

电压电流采集模块，用于采集每个模块功率器件的导通电压和电流；

结温估算模块，用于根据每个模块功率器件的导通电压和电流估算出每个模块功率器件的结温值；

开关分配函数计算模块，用于获取每个模块当前时刻的开关动作次数累计值，并根据每个模块的功率器件结温值和开关动作次数累计值得到每个模块的开关分配函数值；

开关状态分配模块，用于将所有模块的开关分配函数值进行排序，并根据下一时刻的电平增量从开关分配函数值的最大值开始选出下一时刻需要动作的模块；

开关动作桥臂分配模块，用于将下一时刻的电平增量分配至需要动作的模块的需要动作的桥臂。

有益效果

与现有技术相比，本发明提出的一种适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制方法，先根据控制变量参考值和控制变量输出预测值来构建代价函数，通过有限控制集来选择最优的输出总电平，并确定电平增量，然后根据电平增量确定能动作的模块，实现模块的状态分配，最后根据结温值设计开关分配函数，确定需要动作的模块，将电平增量分配到需要动作的模块；该控制方法中代价函数根据输出预测值来设计，且***，保证了输出精度；开关分配函数以用于反应各模块热应力的结温值为设计依据，通过开关分配函数确定模块的开关状态，达到了多模块热应力平衡的效果，均衡各模块的老化速度，减少了多电平变换器各模块的损耗，增加了可靠性和使用寿命，简化了散热设计难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中热应力平衡预测控制方法的流程图；

图2是本发明实施例中多电平变换器模块的四种输出电平状态；

图3是本发明实施例中热应力平衡预测控制系统的控制原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动的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。

如图1所示，本发明所提供的一种适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制方法，包括以下步骤：

1、采集多电平变换器在k时刻的第j个控制变量输出瞬时值x_j(k)，根据多电平变换器的数学模型，由x_j(k)得到k+1时刻不同开关状态组合下的第j个控制变量输出预测值

如图2所示，每个模块有四种不同开关状态，单个桥臂上、下两个功率器件只有一个可以导通，其中，上管导通、下管关断表示该桥臂状态为1，下管导通、上管关断表示该桥臂状态为0。多电平变换器由多个模块组成，则对应有多种不同的开关状态组合，在不同开关状态组合下，多电平变换器的输出总电平不同。

设第i个模块的左半桥状态记为B_2i-1，右半桥状态记为B_2i，第i个模块的输出电平为Q_i，则具有n个模块的多电平变换器的输出总电平H为：

H＝Q₁+Q₂+…+Q_i+…+Q_n(1)

其中，

不同类型的多电平变换器的数学模型是不同的，多电平变换器的数学模型的构建方法为现有技术，例如，级联H桥型多电平变换器的数学模型的构建方法可以参考：丁红旗.模块化多电平功率放大器的研究及装置研制[D].湖南大学,2018。

2、设k+1时刻的第j个控制变量参考值为x_j ^*(k+1)，由

和x_j ^p(k+1)构建多电平变换器的代价函数，在有限控制集的约束下，以代价函数最小对应的总电平作为k+1时刻的最优输出总电平，并得到k+1时刻最优状态下的电平增量。

代价函数的具体表达式为：

其中，g为多电平变换器的代价函数，

为k+1时刻第j个控制变量的参考值，x_j ^p(k+1)为k+1时刻不同开关状态组合下的第j个控制变量的输出预测值，λ_j为第j个控制变量对应的权重系数(λ_j根据经验来设置)，n为控制变量的数量。该代价函数是根据控制变量参考值和控制变量输出预测值直接得到的，并***，保证了多电平变换器的输出精度。

以k时刻多电平变换器输出总电平H(k)前后邻近的Z个电平状态作为有限控制集，k+1时刻输出总电平H(k+1)在有限控制集的约束为：

H(k+1)∈{H(k)-Z,H(k)-Z+1,…,H(k),…,H(k)+Z-1,H(k)+Z} (4)

其中，H(k)＝Q₁(k)+…+Q_i(k)+…+Q_m(k)，Q_i(k)为第i个模块在k时刻的输出电平，m为多电平变换器的模块总数量，Q_i(k)＝1,0,-1。

在有限控制集的约束下，以代价函数g最小为优化目标，代价函数最小值对应的总电平作为k+1时刻的输出总电平H(k+1)，根据H(k+1)和H(k)得到k+1时刻的电平增量ΔH，ΔH＝H(k+1)-H(k)，且ΔH∈(-Z,Z)。

3、根据电平增量ΔH选出k+1时刻能动作的模块。

当电平增量ΔH>0时，此时当前输出电平Q_i(k)为1的模块不能再增加电平了，从当前输出电平Q_i(k)为-1或者0的模块中选出能动作的模块；当电平增量ΔH<0时，此时当前输出电平Q_i(k)为－1的模块不能再减小电平了，从当前输出电平Q_i(k)为1或者0的模块中选出能动作的模块；当电平增量ΔH＝0时，下一时刻输出电平Q_i(k+1)与当前输出电平Q_i(k)保持一致，各个模块中功率器件在下一时刻的状态与在当前时刻的状态保持一致。

4、采集各模块功率器件的导通电压和电流，由导通电压和电流估算出各模块功率器件的结温值。

功率器件的结温值与热应力相关，反映了各模块的平均结温，通过功率器件的结温值来构建开关分配函数，再根据开关分配函数来进行各模块开关状态的分配，保证了各模块之间的热应力平衡。功率器件的结温值的估算为现有技术，可参考Ahmed M M R,Putrus G A.Amethod for predicting IGBT junction temperature under transientcondition[C]//Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.IEEE,2008。

5、获取各模块当前时刻的开关动作次数累计值，根据开关动作次数累计值和功率器件的结温值构建每个模块的开关分配函数，根据每个模块的开关分配函数在能动作的模块中选出k+1时刻需要动作的模块，且需要动作的模块的数量等于电平增量的绝对值。第i个模块的开关分配函数的具体表达式为

其中，C_i(k)为第i个模块在k时刻的开关分配函数，为第i个模块在0到k时刻开关的动作次数累计值，

为第i个模块在k时刻功率器件的结温值，α为分配因子。分配因子α采用试错法或根据经验来设置，采用试错法来确定的具体过程为：令α的初值为

观察热应力平衡的效果，如果效果较差，则换为α初值的邻近值，直到热应力平衡的效果较好位置。

每个模块的开关分配函数均包括两个部分，一个部分是模块开关的动作次数累计值

反映了模块的开关动作频率，保证了各模块开关动作频率均匀，另一个部分为与热应力相关的结温值通过结温值来进行多模块的开关分配，保证了各模块的热应力平衡；增加的分配因子α，使和

保持在同一数量级，以更好地反映和

对多模块之间热应力的平衡作用。

需要动作的模块的选出方法为：

5.1：在每一控制周期，计算出所有能动作的模块的开关分配函数值；

5.2：对计算出的开关分配函数值进行从大到小排序，

5.3：从开关分配函数值序列的最大值开始，选取与开关分配函数值对应的|ΔH|个模块作为k+1时刻需要动作的模块，ΔH为k+1时刻的电平增量；

5.4：将需要动作的模块对应的开关动作次数累计值清零，将不需要动作的模块对应的开关动作次数累计值继续累加计数。

6、将电平增量ΔH分配至需要动作的模块的具体桥臂，以实现多模块热应力的平衡。每个模块的桥臂包括左桥臂和右桥臂，对第i个模块引入状态标志位flagi，通过状态标志位判断优先对模块的哪个桥臂进行开关状态判定：

如果flagi＝1，则优先对第i个模块的左桥臂的开关状态进行判定，如果左桥臂的开关能动作，则根据电平增量动作左桥臂，如果左桥臂的开关不能动作，则根据电平增量动作右桥臂；如果flagi＝－1，则优先对第i个模块的右桥臂的开关状态进行判定，如果右桥臂的开关能动作，则根据电平增量动作右桥臂，如果右桥臂的开关不能动作，则根据电平增量动作左桥臂。

或者：如果flagi＝1，则优先对第i个模块的右桥臂的开关状态进行判定，如果右桥臂的开关能动作，则根据电平增量动作右桥臂，如果右桥臂的开关不能动作，则根据电平增量动作左桥臂；如果flagi＝－1，则优先对第i个模块的左桥臂的开关状态进行判定，如果左桥臂的开关能动作，则根据电平增量动作左桥臂，如果左桥臂的开关不能动作，则根据电平增量动作右桥臂。

右桥臂或左桥臂的开关每次动作后flagi取反，以平衡每个模块左桥臂和右桥臂开关的动作次数。

如图3所示，一种适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制系统，用于实现所述热应力平衡预测控制方法，包括：

输出预测模块1，用于获取多电平变换器6当前时刻的第j个控制变量输出瞬时值x_j(k)，并根据第j个控制变量输出瞬时值x_j(k)得到下一时刻不同开关状态组合下的第j个控制变量输出预测值x_j ^p(k+1)；

有限集开关状态寻优模块2，用于在有限控制集的约束下，根据给定的下一时刻的第j个控制变量参考值为x_j ^*(k+1)和第j个控制变量输出预测值得到下一时刻的输出总电平H(k+1)和下一时刻的电平增量ΔH；

电压电流采集模块3，用于采集每个模块功率器件的导通电压和电流；

结温估算模块4，用于根据每个模块功率器件的导通电压和电流估算出每个模块功率器件的结温值

开关分配函数计算模块5，用于获取每个模块当前时刻的开关动作次数累计值

并根据每个模块的功率器件结温值

和开关动作次数累计值

得到每个模块的开关分配函数值C_i(k)；

开关状态分配模块6，用于将所有模块的开关分配函数值C_i(k)进行排序，并根据下一时刻的电平增量ΔH从开关分配函数值的最大值开始选出下一时刻需要动作的模块；

开关动作桥臂分配模块7，用于将下一时刻的电平增量ΔH分配至需要动作的模块的需要动作的桥臂。

多电平变换器8根据下一时刻各模块左、右桥臂的动作情况来控制其功率器件的动作而达到控制效果，整个控制系统为一个闭环控制，可以达到多模块热应力平衡的效果，R为负载，x_j为控制变量。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。