[发明专利]IPOP型三电平降压变换器系统模型预测控制方法

权利要求书

1.一种IPOP型三电平降压变换器系统模型预测控制方法，应用该控制方法的IPOP型三电平降压变换器系统的拓扑结构包括输入直流电压源V_in、输入滤波电容C_in、n台三电平降压变换器、输出滤波电容C_o、负载R_L；

所述输入滤波电容C_in与输入直流电压源V_in并联，输入直流电压源V_in的直流正母线记为O_in⁺、直流负母线记为O^-、输出正母线记为O_o⁺；所述负载R_L的正极与输出正母线O_o⁺相连接，负载R_L的负极与输入直流电压源V_in的直流负母线O^-相连接；所述输出滤波电容C_o与负载R_L并联；

所述n台三电平降压变换器结构相同，将n台三电平降压变换器中的任意一台三电平降压变换器记为变换器m，m＝1，2…n；所述变换器m包括功率开关管S_m1，S_m2、功率二极管D_m1，D_m2、飞跨电容C_fm、滤波电感L_m；所述功率开关管S_m1集电极与直流正母线Q_in⁺相连接，所述功率开关管S_m2集电极与功率开关管S_m1发射极相连接，所述功率二极管D_m1负极与功率开关管S_m2发射极相连接，所述功率二极管D_m2负极与功率二极管D_m1正极相连接，功率二极管D_m2正极与直流负母线O^-相连接；所述飞跨电容C_fm一端与功率开关管S_m2集电极相连接、另一端与功率二极管D_m1正极相连接；所述滤波电感L_m一端与功率开关管S_m2发射极相连接、另一端与输出正母线O_o⁺相连接；

其特征在于，本控制方法在每个控制周期内，通过采样、负载电阻辨识、电流指令计算和模型预测，求解得到变换器m的占空比，具体地，设控制周期为T_s，一个控制周期内的步骤如下：

步骤1，采样变换器m的当前时刻滤波电感L_m的电流i_Lm(k)、变换器m的当前时刻飞跨电容C_fm的电压V_Cfm(k)，采样系统的当前时刻输入电压V_in(k)、系统的当前时刻输出电压V_o(k)；

步骤2，根据系统的当前时刻输出电压V_o(k)、系统的上一时刻输出电压V_o(k-1)、变换器m的当前时刻滤波电感L_m的电流i_Lm(k)计算系统的负载R_L，其表达式为：

根据系统的负载R_L计算每台三电平降压变换器的等效负载R_n以实现每台三电平降压变换器的功率均分，等效负载R_n的表达式为：

步骤3，令一个控制周期T_s内系统的当前时刻输出电压V_o(k)为常数，根据给定的系统的输出电压指令V_oref和步骤2计算出的每台三电平降压变换器的等效负载R_n，计算变换器m的电流指令i_Lref，其表达式为：

步骤4，预测变换器m的下一时刻滤波电感L_m的电流i_Lm(k+1)，其表达式为：

其中，P_m1为变换器m的功率开关管S_m1的占空比，记为占空比P_m1，P_m2为变换器m的功率开关管S_m2的占空比，记为占空比P_m2；

步骤5，预测变换器m的下一时刻飞跨电容C_fm的电压V_Cfm(k+1)，其表达式为：

步骤6，令系统控制目标为：变换器m的下一时刻滤波电感L_m的电流i_Lm(k+1)跟随电流指令i_Lref、变换器m的下一时刻的飞跨电容C_fm的电压V_Cfm(k+1)跟随0.5V_in(k)，构建变换器m的电流代价函数J_m1(k)和电压代价函数J_m2(k)，其表达式为：

J_m1(k)＝(i_Lref-i_Lm(k+1))² (6)

J_m2(k)＝(0.5V_in(k)-V_Cfm(k+1))² (7)

将公式(4)代入公式(6)、公式(5)代入公式(7)，得到变换器m的电流代价函数J_m1(k)和电压代价函数J_m2(k)的另一种表达式：

步骤7，令变换器m的电流代价函数J_m1(k)对占空比P_m1的偏导等于0、电压代价函数J_m2(k)对占空比P_m2的偏导等于0，即：

将公式(8)、公式(9)代入公式(10)，得到占空比P_m1和占空比P_m2的表达式：

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)。