一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法及系统

摘要

本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法及系统，以平衡开关管的工作温度，合理设计温度控制从而提升开关元件使用寿命、降低维护成本；本发明的方法包括：首先预测一步电流和功率损耗，再建立电流与功率的残差模型，接着统一残差数量级建立成本函数模型，最后选择最小成本函数值所对应的开关状态作为下一步开关控制信号。

权利要求

1.一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：设定采样周期，建立目标器件在当前周期内的通态功率损耗与电流之间的第一关系模型，同时建立所述目标器件在导通状态下的电流与开关状态之间的第二关系模型，并根据所述第一关系模型和所述第二关系模型计算所述目标器件在当前周期内的第一通态功率损耗；

S2：获取逆变器桥臂在下一周期的所有可能的电平状态，建立所述中点钳位型三电平逆变器的定子电压与逆变器桥臂电平状态的第三关系模型，建立逆变器桥臂在下一周期的第m种电平状态所对应的定子电流与定子电压以及当前周期的定子电流之间的第四关系模型，并根据所述第三关系模型和所述第四关系模型计算逆变器桥臂在下一周期的第m种电平状态所对应的定子电流；

S3：建立逆变器桥臂的第m种电平状态所对应的下一周期目标器件导通时目标器件电流与下一周期定子电流之间的第五关系模型，根据所述第五关系模型计算逆变器桥臂的第m种电平状态所对应的下一周期目标器件的第二通态功率损耗；

S4：根据所述第一通态功率损耗和所述第二通态功率损耗建立残差模型，根据所述残差模型建立成本函数；

S5：根据所述逆变器桥臂在当前周期的定子电流和所述成本函数计算逆变器桥臂在下一个周期内的所有可能的电平状态一一对应的成本函数值；选取所述成本函数值中的最小成本函数值，将该最小成本函数值对应的逆变器桥臂上的所有目标器件的开关状态作为逆变器下一个周期的控制输出。

2.根据权利要求1所述的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法，其特征在于，所述残差模型包括电流残差模型和功率残差模型。

3.根据权利要求1所述的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：在所述中点钳位型三电平逆变器的电机转子上建立坐标系，且该坐标系与所述转子同步转动，设定该坐标系中与所述转子磁场方向相同的轴向为d轴，空间上垂直于所述转子磁场方向的轴向为q轴；

所述S2中的所述定子电流包括在d轴和q轴上的定子电流。

4.根据权利要求1所述的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法，其特征在于，所述第一关系模型的计算公式为：

2

Pcon_xj(k)＝|iTxj(k)|·[Vce_125℃_xj+kv_xj(Tt_xj(k)‑125)]+|iTxj(k)|·[rce_125℃_xj+kr_xj(Tt_xj(k)‑125)]；(1)式中，k表示当前周期，k＝0，1，2，…，Pcon_xj(k)表示目标器件Txj在一个开关周期内的通态功率损耗，iTxj(k)表示当前周期内流过目标器件Txj的电流，Tt_xj(k)为当前周期目标器件Txj的温度，Vce_125℃_xj为目标器件Txj在125℃时的通态压降，rce_125℃_xj为目标器件Txj在125℃时的通态电阻，kv_xj为目标器件的通态电压，kr_xj为目标器件的通态电阻拟合系数；其中，x表示目标桥臂，x＝a,b,c，j表示目标器件，j＝1,2,3,4；

所述第二关系模型的计算公式为：

式中，iTx1(k)、iTx2(k)、iTx3(k)、iTx4(k)依次表示目标桥臂x由上往下的目标器件Tx1、Tx2、Tx3、Tx4在当前周期流过的电流，Sx1(k)、Sx2(k)、Sx3(k)、Sx4(k)依次表示目标桥臂x由上往下的目标器件Tx1、Tx2、Tx3、Tx4在当前周期的开关状态， 表示当前周期交流侧x相相电流极性的标志位，ix(k)表示当前周期交流侧x相相电流。

5.根据权利要求1或2所述的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法，其特征在于，所述S2和所述S3具体包括以下步骤：S21：记中点钳位型三电平逆变器桥臂电平状态为S，公式为：S＝[Sa,Sb,Sc]；(4)

式中，Sa表示a桥臂的电平状态，Sb表示b桥臂的电平状态，Sc表示c桥臂的电平状态；根据公式(4)构成逆变器桥臂的n种电平状态W，记为：W＝{S1,S2,…,Sm,…,Sn}；

式中，Sm为逆变器桥臂第m种电平状态；

建立目标桥臂电平状态与目标器件开关状态之间的关系Sx，计算公式为：式中，表示目标桥臂，x＝a,b,c；

由公式(4)和公式(5)建立逆变器桥臂的n种电平状态与逆变器控制输出的n种开关状态对应关系；

建立定子电压与逆变器桥臂电平状态之间的第三关系模型，计算公式为：式中， 表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的定子电压矢量；θ表示电角度，表示取 的实部， 表示取 的虚部， 表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的定子电压矢量 在d轴上的分量， 表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的定子电压矢量 在q轴上的分量，udc表示直流侧电压；

S22：根据电机状态方程，建立逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期d轴、q轴定子电流与定子电压以及当前周期d轴、q轴定子电流之间的第四关系模型，计算公式为：式中，k表示当前周期，k+1表示下一周期；isd表示定子电流在d轴上的分量，isq表示定子电流在q轴上的分量，ψsd表示定子磁通在d轴上的分量，ψsq表示定子磁通在q轴上的分量，ωr表示转子转速，ωsl表示转子与定子间的转速差，Rs表示定子电阻，Rr表示转子电阻，Ls表示定子电感，Lr表示转子电感，σ表示电磁漏磁系数，Tr表示转子电磁时间常数，Ts表示采样间隔时间；

S3：建立逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期目标器件导通时目标器件电流预测值与逆变器桥臂第m种电平状态所对应的目标器件开关状态以及下一周期d轴、q轴定子电流之间的第五关系模型，公式为：

式中，iTx1(Sm,k+1)、iTx2(Sm,k+1)、iTx3(Sm,k+1)、iTx4(Sm,k+1)依次表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的目标桥臂x由上往下的目标器件Tx1、Tx2、Tx3、Tx4在下一个周期流过的电流预测值， 依次表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的桥臂x中目标器件Tx1、Tx2、Tx3、Tx4的开关状态， 表示为逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期交流侧x相相电流极性的标志位，ix(Sm,k+1)为逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期交流侧x相相电流，该相电流的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法，其特征在于，所述S4具体包括以下步骤：

S41：采用滑窗法计算当前周期目标桥臂的功耗参考值，计算公式为：式中，Pref_x(k)为x桥臂当前周期的功耗参考值，Pref_x(k‑1)为x桥臂上一周期的功耗参考值，Pcon_x(k‑L)为x桥臂前第L周期的功耗参考值，且Pref_x(‑1)＝0；N表示从开始采集数据到当前周期所经过的周期数，L为滑窗长度，经过ｌ次滑窗后，计算所有ｌ+N个周期的功耗参考值；Pcon_x(k)为当前周期目标桥臂的平均通态功耗；

S42：分别建立电流、功率的残差预测模型，计算公式为：式中，Ri(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期电流残差的预测值，iref_sd(k)表示当前周期转子d轴的电流参考值，iref_sq(k)表示当前周期转子q轴的电流参考值，RP_x(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期x桥臂功率残差的预测值，x＝a,b,c；Pcon_xj(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期x桥臂第j个目标器件的功率预测值，该功率预测值的计算公式为；

其中，当前周期转子d、q轴的电流参考值iref_sd(k)和iref_sq(k)计算公式为：式中，Lm为定子与转子间的互感， 为转子磁通指令，为恒值， 为当前周期转矩指令，Lr为转子电感，np为极对数；

建立下一周期逆变器桥臂第m种电平状态对应的成本函数g(Sm,k+1)，计算公式为：g(Sm,k+1)＝λigi(Sm,k+1)+λPlossgPloss(Sm,k+1)+gic(Sm,k+1)+gPc(Sm,k+1)；(15)式中，gi(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态对应的下一周期电流残差成本，gPloss(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态对应的下一周期功率残差成本，gic(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态对应的下一周期电流限制成本，gPc(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态对应的下一周期功率限制成本，λi表示电流残差成本的权重，λPloss表示功率残差成本的权重。

7.根据权利要求1所述的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法，其特征在于，所述S5具体包括以下步骤：

以使评价函数值最小为优化目标，建立优化目标的计算公式为：g[H]＝min{g(Sm,k+1)},(Sm∈S)；(16)式中，g[H]表示对应最小评价函数值的逆变器桥臂电平状态为SH，SH∈W＝{S1,S2,...,Sm,...,Sn}；min{·}表示在所有逆变器桥臂m种电平状态对应的成本函数值中取最小值，其中，m＝1,2,…,n，并将其所对应的逆变器桥臂电平状态记为SH；

在第k次采样周期，通过传感器采样获得ia(k)、ib(k)、ic(k)、θ、ωr以及ωsl，ia(k)表示在当前周期交流侧a相相电流，ib(k)表示在当前周期交流侧b相相电流，ic(k)表示在当前周期交流侧c相相电流，θ表示电角度，ωr表示转子转速，ωsl表示转子与定子间的转速差；根据所建立的逆变器桥臂的n种电平状态与逆变器控制输出的n种开关状态对应关系，将SH对应的开关状态作为逆变器k+1周期的控制输出。

8.一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至7任一所述方法的步骤。

说明书

一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法及系统。

背景技术

[0002] 逆变器是一种在各行各业中都使用广泛的电气设备，它在光伏发电、风力发电等新能源领域扮演着重要的角色。而随着新能源发电技术的不断发展，对逆变器功率水平的
需求不断提高，大功率中点钳位型三电平逆变器由于它的高可靠性受到越来越多的关注，
它逐渐取代了传统的两级拓扑结构，成为大功率市场的主力军。

[0003] 逆变器在工作过程中不可避免的会产生大量热量，这些热量一方面会降低逆变器的效率，另一方面也会使逆变器的关键元件出现过热故障。与传统两电平结构相比，中点钳
位型三电平逆变器具有功率器件工作状态不完全对称的特点，该不完全对称的缺点极易造
成器件的温度分布不均匀。而温度又是影响逆变器中开关管寿命的重要因素，不同的工作
温度导致开关管具有不同的寿命。在开关管故障导致的逆变器故障的情况下，常常只有一
个开关管损坏，而其他开关管仍状况良好。由于大型电力设备的检修和维护成本非常高，为
了确保系统的可靠性，工作人员通常会在检修和维护时一次性更换所有的开关管。这种行
为造成了大量的资源浪费，此外，逆变器功率器件的温度过高，已经成为了制约逆变器功率
等级进一步提高的严重阻碍。

[0004] 因此，如何平衡开关管的工作温度，合理设计温度控制以提升开关元件使用寿命、降低维护成本成为一个急需解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明目的在于提供一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法及系统，以平衡开关管的工作温度，合理设计温度控制从而提升开关元件使用寿命、降低维护成本。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法，包括以下步骤：

[0007] S1：设定采样周期，建立目标器件在当前周期内的通态功率损耗与电流之间的第一关系模型，同时建立所述目标器件在导通状态下的电流与开关状态之间的第二关系模
型，并根据所述第一关系模型和所述第二关系模型计算所述目标器件在当前周期内的第一
通态功率损耗；

[0008] S2：获取逆变器桥臂在下一周期的所有可能的电平状态，建立所述中点钳位型三电平逆变器的定子电压与逆变器桥臂电平状态的第三关系模型，建立逆变器桥臂在下一周
期的第m种电平状态所对应的定子电流与定子电压以及当前周期的定子电流之间的第四关
系模型，并根据所述第三关系模型和所述第四关系模型计算逆变器桥臂在下一周期的第m
种电平状态所对应的定子电流；

[0009] S3：建立逆变器桥臂的第m种电平状态所对应的下一周期目标器件导通时目标器件电流与下一周定子电流之间的第五关系模型，根据所述第五关系模型计算逆变器桥臂的
第m种电平状态所对应的下一周期目标器件的第二通态功率损耗；

[0010] S4：根据所述第一通态功率损耗和所述第二通态功率损耗建立残差模型，根据所述残差模型建立成本函数；

[0011] S5：根据所述定子电流和所述成本函数计算与逆变器桥臂在下一个周期内的所有可能的电平状态一一对应的成本函数值；选取所述成本函数值中的最小成本函数值，将该
最小成本函数值对应的逆变器桥臂上的所有目标器件的开关状态作为逆变器下一个周期
的控制输出。

[0012] 优选地，所述残差模型包括电流残差模型和功率残差模型。

[0013] 优选地，所述方法还包括步骤：在所述中点钳位型三电平逆变器的电机转子上建立坐标系，且该坐标系与所述转子同步转动，设定该坐标系中与所述转子磁场方向相同的
轴向为d轴，空间上垂直于所述转子磁场方向的轴向为q轴；

[0014] 所述S2中的所述定子电流包括在d轴和q轴上的定子电流。

[0015] 优选地，所述第一关系模型的计算公式为：

[0016] Pcon_xj(k)＝|iTxj(k)|·[Vce_125℃_xj+kv_xj(Tt_xj(k)‑125)]+|iTxj(k)|2·[rce_125℃_xj+kr_xj(Tt_xj(k)‑125)]；  (1)

[0017] 式中，k表示当前周期，k＝0，1，2，…，Pcon_xj(k)表示目标器件Txj在一个开关周期内的通态功率损耗，iTxj(k)表示当前周期内流过目标器件Txj的电流，Tt_xj(k)为当前周期目标
器件Txj的温度，Vce_125℃_xj为目标器件Txj在125℃时的通态压降，rce_125℃_xj为目标器件Txj在
125℃时的通态电阻，kv_xj为目标器件的通态电压，kr_xj为目标器件的通态电阻拟合系数；其
中，x表示目标桥臂，x＝a,b,c，j表示目标器件，j＝1,2,3,4；

[0018] 所述第二关系模型的计算公式为：

[0019]

[0020]

[0021] 式中，iTx1(k)、iTx2(k)、iTx3(k)、iTx4(k)依次表示目标桥臂x由上往下的目标器件Tx1、Tx2、Tx3、Tx4在当前周期流过的电流，Sx1(k)、Sx2(k)、Sx3(k)、Sx4(k)依次表示目标桥臂x由
上往下的目标器件Tx1、Tx2、Tx3、Tx4在当前周期的开关状态， 表示当前周
期交流侧x相相电流极性的标志位，ix(k)表示当前周期交流侧x相相电流。

[0022] 优选地，所述S2具体包括以下步骤：

[0023] S21：记中点钳位型三电平逆变器桥臂电平状态为S，公式为：

[0024] S＝[Sa,Sb,Sc]；  (4)

[0025] 式中，Sa表示a桥臂的电平状态，Sb表示b桥臂的电平状态，Sc表示c桥臂的电平状态；根据公式(4)构成逆变器桥臂的n种电平状态W，记为：

[0026] W＝{S1,S2,…,Sm,…,Sn}；

[0027] 式中，Sm为逆变器桥臂第m种电平状态；

[0028] 建立目标桥臂电平状态与目标器件开关状态之间的关系Sx，计算公式为：

[0029]

[0030] 式中，表示目标桥臂，x＝a,b,c；

[0031] 由公式(4)和公式(5)建立逆变器桥臂的n种电平状态与逆变器控制输出的n种开关状态对应关系；

[0032] 建立定子电压与逆变器桥臂电平状态之间的第三关系模型，计算公式为：

[0033]

[0034]

[0035] 式中， 表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的定子电压矢量；θ表示电角度，示取 的实部， 示取 的虚部， 表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应
的定子电压矢量 在d轴上的分量， 表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的定子电压
矢量 在q轴上的分量，udc表示直流侧电压；

[0036] S22：根据电机状态方程，建立逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期d轴、q轴定子电流与定子电压以及当前周期d轴、q轴定子电流之间的第四关系模型，计算公式为：

[0037]

[0038] 式中，k表示当前周期，k+1表示下一周期；isd表示定子电流在d轴上的分量，isq表示定子电流在q轴上的分量，ψsd表示定子磁通在d轴上的分量，ψsq表示定子磁通在q轴上的
分量，ωr表示转子转速，ωsl表示转子与定子间的转速差，Rs表示定子电阻，Rr表示转子电
阻，Ls表示定子电感，Lr表示转子电感，σ表示电磁漏磁系数，Tr表示转子电磁时间常数，Ts表
示采样间隔时间；

[0039] S23：建立逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期目标器件导通时目标器件电流预测值与逆变器桥臂第m种电平状态所对应的目标器件开关状态以及下一周期d轴、q
轴定子电流之间的第五关系模型，公式为：

[0040]

[0041] 式中，iTx1(Sm,k+1)、iTx2(Sm,k+1)、iTx3(Sm,k+1)、iTx4(Sm,k+1)依次表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的目标桥臂x由上往下的目标器件Tx1、Tx2、Tx3、Tx4在下一个周期流过
的电流预测值， 依次表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的桥臂x
中目标器件Tx1、Tx2、Tx3、Tx4的开关状态， 表示为逆变器桥臂
第m种电平状态所对应的下一周期交流侧x相相电流极性的标志位，ix(Sm,k+1)为逆变器桥
臂第m种电平状态所对应的下一周期交流侧x相相电流，该相电流的计算公式为：

[0042]

[0043] 优选地，所述S3具体包括以下步骤：

[0044] S31：采用滑窗法计算当前周期目标桥臂的功耗参考值，计算公式为：

[0045]

[0046] 式中，Pref_x(k)为x桥臂当前周期的功耗参考值，Pref_x(k‑1)为x桥臂上一周期的功耗参考值，Pcon_x(k‑L)为x桥臂前第L周期的功耗参考值，且Pref_x(‑1)＝0；N表示从开始采集
数据到当前周期所经过的周期数，L为滑窗长度，经过l次滑窗后，计算所有L+M个周期的功
耗参考值；Pcon_x(k)为当前周期目标桥臂的平均通态功耗；

[0047] S32：分别建立电流、功率的残差预测模型，计算公式为：

[0048]

[0049] 式中，Ri(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期电流残差的预测值，iref_sd(k)表示当前周期转子d轴的电流参考值，iref_sq(k)表示当前周期转子q轴的电
流参考值，RP_x(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期x桥臂功率残差
的预测值，x＝a,b,c；Pcon_xj(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期x桥
臂第j个目标器件的功率预测值，该功率预测值的计算公式为；

[0050]

[0051] 其中，当前周期转子d、q轴的电流参考值iref_sd(k)和iref_sq(k)计算公式为：

[0052]

[0053] 式中，Lm为定子与转子间的互感， 为转子磁通指令，为恒值， 为当前周期转矩指令，目标转速ω是电机的期望转速，为恒值；

[0054] 建立下一周期逆变器桥臂第m种电平状态对应的成本函数g(Sm,k+1)，计算公式为：

[0055] g(Sm,k+1)＝λigi(Sm,k+1)+λPlossgPloss(Sm,k+1)+gic(Sm,k+1)+gPc(Sm,k+1)；  (15)

[0056] 式中，gi(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态对应的下一周期电流残差成本，gPloss(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态对应的下一周期功率残差成本，gic(Sm,k+1)
表示逆变器桥臂第m种电平状态对应的下一周期电流限制成本，gPc(Sm,k+1)表示逆变器桥
臂第m种电平状态对应的下一周期功率限制成本，λi表示电流残差成本的权重，λPloss表示功
率残差成本的权重。

[0057] 优选地，所述S4具体包括以下步骤：

[0058] 以使评价函数值最小为优化目标，建立优化目标的计算公式为：

[0059] g[H]＝min{g(Sm,k+1)},(Sm∈S)；  (16)

[0060] 式中，g[H]表示对应最小评价函数值的逆变器桥臂电平状态为SH，SH∈W＝{S1,S2,...,Sm,...,Sn}；min{·}表示在所有逆变器桥臂m种电平状态对应的成本函数值中取最
小值，其中，m＝1,2,…,n，并将其所对应的逆变器桥臂电平状态记为SH；

[0061] 在第k次采样周期，通过传感器采样获得ia(k)、ib(k)、ic(k)、θ、ωr以及ωsl，根据所建立的逆变器桥臂的n种电平状态与逆变器控制输出的n种开关状态对应关系，将SH对应
的开关状态作为逆变器k+1周期的控制输出。

[0062] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述
处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

[0063] 本发明具有以下有益效果：

[0064] 本发明提供一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡方法及系统，先预测一步电流和功率损耗，再建立电流与功率的残差模型，接着统一残差数量级建立成本函数模型，最后
选择最小成本函数值所对应的开关状态作为下一步开关控制信号。该方法可以平衡开关管
间的温度，易于实施，对提升开关元件使用寿命、降低维护成本以及提高系统可靠性具有重
要意义。

[0065] 下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

[0066] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0067] 图1是本发明优选实施例的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法流程图；

[0068] 图2是本发明优选实施例的中点钳位型三电平逆变器拓扑图；

[0069] 图3是本发明优选实施例采用传统模型预测控制策略控制的开关管Ta1结温波动示意图；

[0070] 图4是本发明优选实施例采用传统模型预测控制策略控制的开关管Ta2结温波动示意图；

[0071] 图5是本发明优选实施例采用传统模型预测控制策略控制的开关管Ta3结温波动示意图；

[0072] 图6是本发明优选实施例采用传统模型预测控制策略控制的开关管Ta4结温波动示意图；

[0073] 图7是本发明优选实施例采用本发明的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法的开关管Ta1结温波动示意图；

[0074] 图8是本发明优选实施例采用本发明的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法控制时的开关管Ta2结温波动示意图；

[0075] 图9是本发明优选实施例采用本发明的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法控制时的开关管Ta3结温波动示意图；

[0076] 图10是本发明优选实施例采用本发明的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法控制时的开关管Ta4结温波动示意图。

具体实施方式

[0077] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

[0078] 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并
不表示任何顺序、数量或者重要性，而仅仅是为了便于对相应零部件进行区别。同样，“一
个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

[0079] 实施例1

[0080] 如图1所示，本实施例提供一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制方法，包括以下步骤：

[0081] S1：设定采样周期，建立目标器件在当前周期内的通态功率损耗与电流之间的第一关系模型，同时建立目标器件在导通状态下的电流与开关状态之间的第二关系模型，并
根据第一关系模型和第二关系模型计算目标器件在当前周期内的第一通态功率损耗；

[0082] S2：获取逆变器桥臂在下一周期的所有可能的电平状态，建立中点钳位型三电平逆变器的定子电压与逆变器桥臂电平状态的第三关系模型，建立逆变器桥臂在下一周期的
第m种电平状态所对应的定子电流与定子电压以及当前周期的定子电流之间的第四关系模
型，并根据第三关系模型和第四关系模型计算逆变器桥臂在下一周期的第m种电平状态所
对应的定子电流；

[0083] S3：建立逆变器桥臂的第m种电平状态所对应的下一周期目标器件导通时目标器件电流与下一周定子电流之间的第五关系模型，根据第五关系模型计算逆变器桥臂的第m
种电平状态所对应的下一周期目标器件的第二通态功率损耗；

[0084] S4：根据第一通态功率损耗和第二通态功率损耗建立残差模型，根据残差模型建立成本函数；

[0085] S5：根据定子电流和成本函数计算与逆变器桥臂在下一个周期内的所有可能的电平状态一一对应的成本函数值；选取成本函数值中的最小成本函数值，将该最小成本函数
值对应的逆变器桥臂上的所有目标器件的开关状态作为逆变器下一个周期的控制输出。

[0086] 需要说明的是，本实施例中，采样周期为10‑5秒，但本发明并不仅限于此，在能达到相同目的的情况下，可以适当调整该采样周期的时间。本实施例中，逆变器的目标桥臂是指
逆变器a相、b相、c相三相桥臂中任一相桥臂上。目标器件是指逆变器中的开关管，其中每一
相桥臂由上往下由四个开关管组成，分别记为Tx1，Tx2，Tx3和Tx4，x＝a,b,c。此外，值得说明的
是，逆变器桥臂电平状态由逆变器a相、b相、c相三相桥臂电平状态组合构成：S＝[Sa,Sb,
Sc]，逆变器桥臂共有n种电平状态：W＝{S1,S2,…,Sm,…,Sn}；目标桥臂的电平状态Sx是指a
相或b相或c相桥臂电平状态 有‑1、0、1三种；目标器件开关状态是指任一开关管
的状态 有0、1两种状态；逆变器控制输出的开关状态由逆
变器a相、b相、c相三相桥臂全部12个开关管的开关状态组合组成，共有n种，与逆变器桥臂
的n种电平状态一一对应。

[0087] 上述的三电平逆变器温度平衡方法，可以平衡开关管间的温度，易于实施，对提升开关元件使用寿命、降低维护成本以及提高系统可靠性具有重要意义。

[0088] 具体地，本实例参照CRH2型高速列车的三电平牵引变流器系统作为仿真对象，该CRH2型高速列车的三电平牵引变流器的中点钳位型三电平逆变器拓扑图如图2所示。并以
牵引逆变器a相桥臂上的开关管温度平衡为例，仿真时长为2s，其中，三电平牵引变流器系
统正常运行时。主要仿真参数如表1所示。

[0089] 表1三电平牵引变流器系统正常运行时主要仿真参数表

[0090] 参数 数值直流环节电压给定值 1500V
给定转速 0s时为150km/h，1s时升至250km/h
牵引电机极对数 2
定子电阻 0.114Ω
转子电阻 0.146Ω
定子电感 0.0343H
转子电感 0.0341H
互感 0.0328H
2
转动惯量 0.4kg·m

[0091] 首先，针对逆变器a相桥臂上的目标器件，建立当前周期目标器件通态功率损耗与当前周期电流的第一关系模型，计算公式为：

[0092] Pcon_aj(k)＝|iTaj(k)|·[Vce_125℃_aj+kv_aj(Tt_aj(k)‑125)]+|iTaj(k)|2·[rce_125℃_aj+kr_aj(Tt_aj(k)‑125)]；  (1)

[0093] 式中，k表示当前周期，k＝0，1，2，…，Pcon_aj(k)表示目标器件Taj在一个开关周期内的通态功率损耗，iTaj(k)表示当前周期流过目标器件Taj的电流，Tt_aj(k)为当前周期目标器
件Taj的温度，Vce_125℃_aj为目标器件Taj在125℃时的通态压降，rce_125℃_aj为目标器件Taj在125
℃时的通态电阻，kv_aj与kr_aj分别为目标器件的通态电压、通态电阻拟合系数，根据目标器
件数据手册中的输出特性曲线得到；其中，j表示目标器件，j＝1,2,3,4；目标器件的各拟合
系数由厂商用户数据手册中提供的数据拟合获得，具体数值参见如下表2所示。

[0094] 表2开关管拟合系数数值表

[0095]参数 |iTaj(k)|≤60A 60A＜|iTaj(k)|≤120A |iTaj(k)|＞120A
Vce_125℃_aj 0 1 1.3448
kv_aj 0 6.7e‑3 1.29e‑6
rce_125℃_aj 2.167e‑2 0.005 2.2e‑3
kr_aj 2.17e‑5 1e‑5 5e‑6

[0096] 本实施例中，第二关系模型的计算公式为：

[0097]

[0098]

[0099] 式中，iTa1(k)、iTa2(k)、iTa3(k)、iTa4(k)依次表示目标桥臂a由上往下的目标器件Ta1、Ta2、Ta3、Ta4在当前周期流过的电流(与公式(1)中iTaj(k)同)；Sa1(k)、Sa2(k)、Sa3(k)、Sa4
(k)依次表示目标桥臂a由上往下的目标器件Ta1、Ta2、Ta3、Ta4在当前周期的开关状态(与公式
(3)中Saj(k)同)； 表示当前周期交流侧a相相电流极性的标志位，ia(k)表示
当前周期交流侧a相相电流；∧和∨分别表示与和或运算。

[0100] 记中点钳位型三电平逆变器桥臂电平状态为：

[0101] S＝[Sa,Sb,Sc]；  (4)

[0102] 其中，Sa、Sb、Sc分别表示a、b、c桥臂的电平状态；由公式(4)构成逆变器桥臂的n种电平状态，记为：W＝{S1,S2,…,Sm,…,Sn}，Sm为逆变器桥臂第m种电平状态；

[0103] 建立a、b、c相桥臂电平状态与a、b、c相器件开关状态之间的关系，公式为：

[0104]

[0105]

[0106]

[0107] 建立逆变器桥臂n种电平状态与逆变器控制输出的n种开关状态对应关系；如下表所示；如中点钳位型三电平逆变器桥臂电平状态为S1＝[0,0,0]时，逆变器控制输出的开关
状态为：Sa1＝0,Sa2＝1,Sa3＝1，Sa4＝0，Sb1＝0,Sb2＝1,Sb3＝1，Sb4＝0，Sc1＝0,Sc2＝1,Sc3＝1，
Sc4＝0；以此类推；

[0108]

[0109] 进一步地，建立定子电压与逆变器桥臂电平状态之间的第三关系模型，公式为：

[0110]

[0111]

[0112] 式中， 表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的定子电压矢量，θ表示电角度，表示取 的实部， 表示取 的虚部， 分别表示逆变器桥臂第m种电
平状态所对应的定子电压矢量 在d、q轴上的分量，udc表示直流侧电压。

[0113] 根据电机状态方程，建立逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期d轴、q轴定子电流与定子电压以及当前周期d轴、q轴定子电流之间的第四关系模型，计算公式为：

[0114]

[0115] 式中，k表示当前周期，k+1表示下一周期，isd表示定子电流在d轴上的分量，isq表示定子电流在q轴上的分量，ψsd表示定子磁通在d轴上的分量，ψsq表示定子磁通在q轴上的
分量，ωr表示转子转速，ωsl表示转子与定子间的转速差，Rs表示定子电阻，Rr表示转子电
阻，Ls表示定子电感，Lr表示转子电感，σ表示电磁漏磁系数，Tr表示转子电磁时间常数，Ts表
示采样间隔时间。

[0116] 需要说明的是，本实施例中，在中点钳位型三电平逆变器的电机转子上建立坐标系，且该坐标系与转子同步转动，设定该坐标系中与转子磁场方向相同的轴向为d轴，空间
上垂直于所述转子磁场方向的轴向为q轴。

[0117] 建立逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期器件电流预测值与逆变器桥臂第m种电平状态所对应的目标器件开关状态以及下一周期目标器件导通时d轴、q轴定子电
流之间的第五关系模型，公式为：

[0118]

[0119] 式中，iTa1(Sm,k+1)、iTa2(Sm,k+1)、iTa3(Sm,k+1)、iTa4(Sm,k+1)依次表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的目标桥臂a由上往下的目标器件Ta1、Ta2、Ta3、Ta4在下一周期流过的
电流预测值， 分别表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的桥臂x中
目标器件Ta1、Ta2、Ta3、Ta4的开关状态，据式(5)可得。其中：

[0120] 表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期交流侧a相相电流极性的标志位，ia(Sm,k+1)、ib(Sm,k+1)、ic(Sm,k+1)分别为逆变器桥臂
第m种电平状态所对应的下一周期交流侧a、b、c相相电流，计算公式为：

[0121]

[0122] 其中，ψsd(k)、ψsq(k)计算公式如下：

[0123]

[0124] 式中，ψsd(k)表示当前周期定子磁通在d轴上的分量，ψsq(k)表示当前周期定子磁通在q轴上的分量，ωs(k)表示当前时刻定子转速；

[0125] 接着，采用滑窗法计算当前周期目标桥臂a的功耗参考值，计算公式为：

[0126]

[0127] 式中，Pref_a(k)为a桥臂当前周期的功耗参考值，Pref_x(k‑1)为x桥臂上一周期的功耗参考值，Pcon_x(k‑L)为x桥臂前第L周期的功耗参考值，且Pref_x(‑1)＝0；N表示从开始采集
数据(k＝0)到当前周期k(N＝k＝1，2，…,19)所经过的周期数，20为滑窗长度；经过l(y＝1，
2,…,l,…,200000)次滑窗(k＝20,21,22,…,20+l,…,200020)后，本实施例中，计算所有
200020个周期功耗参考值并记录结果；其中，Pcon_a(k)为当前周期目标桥臂的平均通态功
耗，公式为：

[0128]

[0129] 式中Pcon_aj(k)表示目标桥臂a上第j个目标器件当前周期内的通态功率损耗，由公式(1)计算得到，并记录所有200020个周期的Pcon_aj(k)结果；

[0130] 分别建立电流、功率的残差预测模型，公式为：

[0131]

[0132] 式中，Ri(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期电流残差的预测值，iref_sd(k)表示当前周期转子d轴电流参考值，iref_sq(k)表示当前周期转子q轴电流参
考值，RP_a(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期a桥臂功率残差的预
测值；Pcon_aj(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态所对应的下一周期a桥臂第j个目标器
件的功率预测值，j＝1,2,3,4，计算公式为：

[0133]

[0134] 其中，当前周期转子d、q轴的电流参考值iref_sd(k)和iref_sq(k)，计算公式为：

[0135]

[0136] 式中，Lm表示定子与转子间的互感， 是转子磁通指令，为恒值， 为当前周期转矩指令，由转速ωr与目标转速ω的偏差经过PI调节器得到，目标转速ω是电机的期望
转速，为恒值；

[0137] 进一步地，建立下一周期逆变器桥臂第m种电平状态对应的成本函数g(Sm,k+1)，计算公式为：

[0138] g(Sm,k+1)＝λigi(Sm,k+1)+λPlossgPloss(Sm,k+1)+gic(Sm,k+1)+gPc(Sm,k+1)；  (19)

[0139] 式中，gi(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态对应的下一周期电流残差成本，gPloss(Sm,k+1)表示逆变器桥臂第m种电平状态对应的下一周期功率残差成本，gic(Sm,k+1)
表示逆变器桥臂第m种电平状态对应的下一周期电流限制成本，gPc(Sm,k+1)表示逆变器桥
臂第m种电平状态对应的下一周期功率限制成本，λi表示电流残差成本的权重，λPloss表示功
率残差成本的权重；

[0140] 其中，电流残差成本gi(Sm,k+1)和功率残差成本gPloss(Sm,k+1)的计算公式为：

[0141] gi(Sm,k+1)＝Ri(Sm,k+1)；  (20)

[0142] gPloss(Sm,k+1)＝RP_a(Sm,k+1)；  (21)

[0143] 其中，电流限制成本giconstraint和功率限制成本gPconstraint的计算公式为：

[0144]

[0145]

[0146] 式中，Ilimit表示电流的限定值，Plimit表示功率的限定值，CI、CP均为成本常数，取恒值。

[0147] 以使评价函数值最小为优化目标，本实施例中建立优化目标的计算公式为：

[0148] g[H]＝min{g(Sm,k+1)},(Sm∈S)；  (24)

[0149] 式中，g[H]表示对应最小评价函数值的逆变器桥臂电平状态为SH，SH∈W＝{S1,S2,...,Sm,...,Sn}；min{·}表示逆变器桥臂在所有m(m＝1,2,…,n)种电平状态对应的成
本函数值中取最小值，并将其所对应的逆变器桥臂电平状态记为SH；

[0150] 在第k次采样周期，通过传感器采样获得ia(k)、ib(k)、ic(k)、θ、ωr和ωsl；本实施例中，采用公式(1)、公式(2)和公式(3)计算得到目标器件通态损耗Pcon_aj(k)；采用公式
(14)和公式(15)计算得到目标桥臂的功耗参考值Pref_a(k)；进一步地，采用公式(10)、公式
(11)和公式(17)计算并记录下一周期(k+1周期)中逆变器桥臂第m种(m＝1,2,…,n)电平状
态Sm所对应的各个预测值：isd(Sm,k+1)、isq(Sm,k+1)、Pcon_a1(Sm,k+1)、Pcon_a2(Sm,k+1)、Pcon_a3
(Sm,k+1)和Pcon_a4(Sm,k+1)；采用公式(19)计算并记录全部逆变器桥臂n种电平状态S1、S2、
S3…Sn对应的评价函数值；最后根据公式(24)求得对应最小评价函数值的逆变器桥臂电平
状态SH，根据所建立逆变器桥臂n种电平状态与逆变器控制输出的n种开关状态对应关系，
将SH据公式(5)、公式(6)和公式(7)对应的开关状态作为逆变器k+1周期的控制输出。

[0151] 具体地，本实施例的a相4个开关管采用本方案进行温度平衡前的温度分布差距很大，其中，采用传统模型预测控制策略控制的开关管Ta1结温波动情况如图3所示；采用传统
模型预测控制策略控制的开关管Ta2结温波动情况如图4所示；采用传统模型预测控制策略
控制的开关管Ta3结温波动情况如图5所示；采用传统模型预测控制策略控制的开关管Ta4结
温波动情况如图6所示。本实施例的a相4个开关管采用本方案进行温度平衡后的温度分布
差距缩小，平均温度也有所降低。其中，采用本发明的中点钳位型三电平逆变器温度平衡控
制方法的开关管Ta1结温情况如图7所示；采用本发明的中点钳位型三电平逆变器温度平衡
控制方法的开关管Ta2结温情况如图8所示；采用本发明的中点钳位型三电平逆变器温度平
衡控制方法的开关管Ta3结温情况如图9所示；采用本发明的中点钳位型三电平逆变器温度
平衡控制方法的开关管Ta4结温情况如图10所示。

[0152] 实施例2

[0153] 与上述方法实施例相对应地，本实施例提供一种中点钳位型三电平逆变器温度平衡控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

[0154] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。