[发明专利]适用于多电平变换器的热应力平衡预测控制方法及系统

说明书

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。

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；