[發(fā)明專利]IPOP型三電平降壓變換器系統(tǒng)模型預(yù)測控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010344179.8
• 申請日: 2020-04-27
• 公開（公告）號: CN111525824B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張興;錢尼信;趙濤;趙文廣;王明達(dá);高帥;李飛
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483
• 代理公司: 合肥和瑞知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種IPOP型三電平降壓變換器系統(tǒng)模型預(yù)測控制方法，應(yīng)用該控制方法的IPOP型三電平降壓變換器系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入直流電壓源V_in、輸入濾波電容C_in、n臺三電平降壓變換器、輸出濾波電容C_o、負(fù)載R_L；

所述輸入濾波電容C_in與輸入直流電壓源V_in并聯(lián)，輸入直流電壓源V_in的直流正母線記為O_in⁺、直流負(fù)母線記為O^-、輸出正母線記為O_o⁺；所述負(fù)載R_L的正極與輸出正母線O_o⁺相連接，負(fù)載R_L的負(fù)極與輸入直流電壓源V_in的直流負(fù)母線O^-相連接；所述輸出濾波電容C_o與負(fù)載R_L并聯(lián)；

所述n臺三電平降壓變換器結(jié)構(gòu)相同，將n臺三電平降壓變換器中的任意一臺三電平降壓變換器記為變換器m，m＝1，2…n；所述變換器m包括功率開關(guān)管S_m1，S_m2、功率二極管D_m1，D_m2、飛跨電容C_fm、濾波電感L_m；所述功率開關(guān)管S_m1集電極與直流正母線Q_in⁺相連接，所述功率開關(guān)管S_m2集電極與功率開關(guān)管S_m1發(fā)射極相連接，所述功率二極管D_m1負(fù)極與功率開關(guān)管S_m2發(fā)射極相連接，所述功率二極管D_m2負(fù)極與功率二極管D_m1正極相連接，功率二極管D_m2正極與直流負(fù)母線O^-相連接；所述飛跨電容C_fm一端與功率開關(guān)管S_m2集電極相連接、另一端與功率二極管D_m1正極相連接；所述濾波電感L_m一端與功率開關(guān)管S_m2發(fā)射極相連接、另一端與輸出正母線O_o⁺相連接；

其特征在于，本控制方法在每個控制周期內(nèi)，通過采樣、負(fù)載電阻辨識、電流指令計(jì)算和模型預(yù)測，求解得到變換器m的占空比，具體地，設(shè)控制周期為T_s，一個控制周期內(nèi)的步驟如下：

步驟1，采樣變換器m的當(dāng)前時刻濾波電感L_m的電流i_Lm(k)、變換器m的當(dāng)前時刻飛跨電容C_fm的電壓V_Cfm(k)，采樣系統(tǒng)的當(dāng)前時刻輸入電壓V_in(k)、系統(tǒng)的當(dāng)前時刻輸出電壓V_o(k)；

步驟2，根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前時刻輸出電壓V_o(k)、系統(tǒng)的上一時刻輸出電壓V_o(k-1)、變換器m的當(dāng)前時刻濾波電感L_m的電流i_Lm(k)計(jì)算系統(tǒng)的負(fù)載R_L，其表達(dá)式為：

根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載R_L計(jì)算每臺三電平降壓變換器的等效負(fù)載R_n以實(shí)現(xiàn)每臺三電平降壓變換器的功率均分，等效負(fù)載R_n的表達(dá)式為：

步驟3，令一個控制周期T_s內(nèi)系統(tǒng)的當(dāng)前時刻輸出電壓V_o(k)為常數(shù)，根據(jù)給定的系統(tǒng)的輸出電壓指令V_oref和步驟2計(jì)算出的每臺三電平降壓變換器的等效負(fù)載R_n，計(jì)算變換器m的電流指令i_Lref，其表達(dá)式為：

步驟4，預(yù)測變換器m的下一時刻濾波電感L_m的電流i_Lm(k+1)，其表達(dá)式為：

其中，P_m1為變換器m的功率開關(guān)管S_m1的占空比，記為占空比P_m1，P_m2為變換器m的功率開關(guān)管S_m2的占空比，記為占空比P_m2；

步驟5，預(yù)測變換器m的下一時刻飛跨電容C_fm的電壓V_Cfm(k+1)，其表達(dá)式為：

步驟6，令系統(tǒng)控制目標(biāo)為：變換器m的下一時刻濾波電感L_m的電流i_Lm(k+1)跟隨電流指令i_Lref、變換器m的下一時刻的飛跨電容C_fm的電壓V_Cfm(k+1)跟隨0.5V_in(k)，構(gòu)建變換器m的電流代價函數(shù)J_m1(k)和電壓代價函數(shù)J_m2(k)，其表達(dá)式為：

J_m1(k)＝(i_Lref-i_Lm(k+1))² (6)

J_m2(k)＝(0.5V_in(k)-V_Cfm(k+1))² (7)

將公式(4)代入公式(6)、公式(5)代入公式(7)，得到變換器m的電流代價函數(shù)J_m1(k)和電壓代價函數(shù)J_m2(k)的另一種表達(dá)式：

步驟7，令變換器m的電流代價函數(shù)J_m1(k)對占空比P_m1的偏導(dǎo)等于0、電壓代價函數(shù)J_m2(k)對占空比P_m2的偏導(dǎo)等于0，即：

將公式(8)、公式(9)代入公式(10)，得到占空比P_m1和占空比P_m2的表達(dá)式：

其中：

A＝-2C_fm(V_Cfm(k))²+2L_mi_Lm(k)i_Lref+2V_o(k)T_si_Lm(k) (13)

B＝3C_fmV_Cfm(k)V_in(k)+2L_mi_Lm(k)i_Lref+2V_o(k)T_si_Lm(k) (14)。