CN110912230A - 基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置及方法，控制装置包括电源模块、传感器、调理电路、控制器、通讯模块，所述电源模块为控制装置其他部分供电，所述传感器采集充电变流器状态参数并通过所述调理电路将状态参数的电压、电流信号传递给所述控制器，控制器产生PWM波并控制充电变流器单模块主电路电力电子器件的开断。本发明的控制方法基于寻优预测模型，利用单模块内的状态变量对多模块充电变流器的系统状态展开预测，基于预测结果对单模块充电变流器主电路展开控制，结合系统实际状态信息进行故障诊断并修正控制策略，进而实现对多模块充电变流器并联充电过程的控制，使充电变流器输出电流稳定，提高了充电变流器输出品质。

Description

基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置及方法

技术领域

本发明涉及充电领域，特别是一种基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置及方法。

背景技术

充电变流器，特别在大功率场合，多采用多个模块并联以提高输出功率。多模块错相并联可以降低输出电流纹波，提高充电变流器的输出品质，模块冗余可以提高系统的容错性、安全性。因此，多模块充电变流器对均流控制、故障诊断提出了更高的要求。多模块充电变流器控制装置按控制方式主要分为集中式和分布式控制两种。集中式控制，由中央控制器向各模块电力电子器件发出控制信号；分布式控制，各模块电力电子器件由独立的控制器控制。

集中式控制，根据系统状态信息直接对各个模块发出控制指令，具有全局性，控制逻辑简单。然而，集中式控制主要依赖中央控制器完成决策，一旦发生通信故障，或中央控制设备发出异常指令，将会造成充电装置的崩溃。分布式控制能使单个模块根据模块内反馈的状态参数快速及时地做出反应，抗扰能力强，但缺乏对全局状态的把握，需要依赖通信技术以获取其他模块及系统的状态信息。

目前，为解决多模块充电变流器并联充电控制问题，多采用分布式协同控制。该方法通过采集相邻模块的局部状态信息，采用协同控制方法使协同误差收敛至零，保证各模块输出趋于一致，实现均流。但是在上述方法控制下，局部模块的异常工作将会影响相邻模块的控制策略，进而影响系统整体的输出品质，故障容错性较弱。基于此，如何保障多模块充电变流器的输出品质，如何提高系统的容错能力，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是，提供一种基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置及方法，保障多模块充电变流器的输出品质，提高系统容错能力。

本发明所采用的的技术方案是：一种基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置，多模块充电变流器包括多个并联的直流变换模块；包括：

多个用于测量所述直流变换模块输出电流的电流传感器；

多个用于测量所述直流变换模块输出电压的电压传感器；

以及用于对所述输出电流、输出电压进行处理，并输出PWM控制信号，控制所述直流变换模块中电力电子器件的通断的控制器。

所述电力电子器件为全控型半导体电力电子器件。

所述全控型半导体电力电子器件为IGBT或MOSFET。

所述直流变换模块的数量为N个，且N为2以上的整数，相邻两个直流变换模块之间控制信号的相位差为360/N度。

所述控制器与调理电路、通讯模块连接；所述调理电路与所述电流传感器、电压传感器连接；所述通讯模块与上位机通信。

本发明还提供了一种利用上述控制装置控制多模块充电变流器的方法，包括以下步骤：

1)以T/4为采样间隔采集第x个直流变换模块的输出电流和输出电压，其中T为控制信号周期；

2)设定k+1时刻，第x个直流变换模块主电路电力电子器件的导通比D_x(k+1)的迭代初值为D_x(k)，k为非负整数，当k＝0时，令D_x(k)＝0；

3)利用第x个直流变换模块k时刻、k-1时刻的状态变量历史数据预测k+1时刻、k+2时刻第x个直流变换模块的输出电流值i_x(k+1)、i_x(k+2)，由第x个直流变换模块的状态变量及各直流变换模块的输出电流值，建立k时刻多模块充电变流器的预测输出总电流I_px(k)的数学模型；

4)获取k时刻系统的输出电流和输出电压，运算得到k时刻输出电流设定参考值I*(k)；

5)将步骤3)得到的I_px(k)和步骤4)得到的I*(k)代入价值函数模型表达式，计算系统价值函数；

6)根据价值函数的计算结果，调整D_x(k+1)的值，重复步骤2)～5)，得到使得价值函数最小的第x个直流变换模块主电路电力电子器件的开关状态，作为下一时刻PWM脉冲发生器的输入信号，同时返回开关状态，参与下一次寻优预测；

7)将步骤6)得到的导通比D_x(k+1)输入PWM脉冲发生器，产生驱动信号控制第x个直流变换模块主电路电力电子器件的开断。

系统预测k+1、k+2时刻第x个直流变换模块主电路的输出电流i_x(k+1)、i_x(k+2)计算公式为：

其中，u_in(k-1)、u_in(k)表示k-1时刻、k时刻第x个直流变换模块的输入电压；D_x(k-1)、D_x(k)、D_x(k+1)表示k-1时刻、k时刻、k+1时刻电力电子器件的导通比；u_o(k-1)、u_o(k)、u_o(k+1)表示第x个直流变换模块在k-1时刻、k时刻、k+1时刻的输出电压；i_x(k-1)、i_x(k)表示k-1时刻、k时刻第x个直流变换模块主电路的输出电流；f函数具体表示如下：

由电容电压的连续性质，可以近似得到

C为滤波电容容值，Δt取采样间隔，即

假定在Δt时间内，输入电压变化连续，在该预测模型中忽略Δt时间内其变化量，即令u_in(k+1)＝u_in(k)，代入i_x(k+1)表达式后i_x(k+2)可表示为：

i_x(k+2)＝g(i_x(k-1),i_x(k),u_o(k-1),u_o(k),u_in(k-1),u_in(k),D_x(k-1),D_x(k),D_x(k+1))；

其中，g为按照上述方法进行变量处理后，将i_x(k+1)代入f函数所得到的函数关系式。

预测输出总电流I_px(k)的计算公式为：

I_px(k)＝i_x(k-1)+i_x(k)+i_x(k+1)+i_x(k+2)；

即令k时刻基于第x个直流变换模块的多模块充电变流器预测输出总电流I_px(k)等于以T/4为时间间隔的相邻四个时刻下第x个直流变换模块输出电流之和。

I_px(k)＝h(i_x(k-1),i_x(k),u_o(k-1),u_o(k),u_in(k-1),u_in(k),D_x(k-1),D_x(k),D_x(k+1))；h表示将i_x(k+1)和变量处理后的i_x(k+2)表达式代入预测输出总电流I_px(k)的计算公式后得到的函数；其中，当k＝0时，i_x(k-1)＝i_x(k)。

所述价值函数模型表达式为：

其中，J(I_px(k),I*(k))为价值函数，I*(k)为k时刻输出电流设定参考值，D_x(k+1)的初值取D_x(k)，通过反复迭代使目标函数J(I_px(k),I*(k))趋近0，此时D_x(k+1)作为寻优结果，控制PWM脉冲发生器下一时刻的工作，并参与下一次寻优预测。

本发明的有益效果是：本发明的充电控制装置结构简单，控制可靠；本发明的方法采用多模块分布式控制策略使得充电装置不易受到其他模块干扰，输出更为稳定可靠；采用寻优预测控制，基于单个模块内的状态变量对多模块错相并联后的系统状态变量进行预测，提高系统控制的灵敏度以及充电装置的输出品质；结合通信模块使模块能根据系统状态参数进行简单的故障诊断，具备一定的容错能力。

附图说明

图1为本发明一实施例充电变流器结构示意图；

图2为本发明一实施例控制装置单模块结构示意图；

图3为本发明一实施例模块x充电控制算法示意图；

图4为本发明一实施例模块x故障诊断逻辑示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例作用于一个由四个直流变换模块X1～X4并联的充电变流器。所述变流器输入端电压为直流1500V；所述四个直流变换模块的输出正端分别连接一个防反向二极管，所述四个二极管负端并联后与电感L连接作为变流器的输出正极；所述四个直流变换模块的输出负端并联作为变流器的输出负极；在所述变流器输出正极和输出负极之间并联滤波电容C与相应负载。

本发明所述的控制装置1主要作用于组成变流器的单个直流变换模块X1～X4，图2所示为本发明一实施例控制装置单模块结构示意图，以下将该模块记为模块x，所述控制装置1包括电源模块11、传感器12、调理电路13、控制器14、通讯模块15，所述电源模块11为控制装置的其他部分12～15供电；所述传感器12采集模块x的输出电流和输出电压作为模块x的状态变量，将经过所述调理电路13滤波、转换后的状态变量输入所述控制器14，经过系统离散预测、价值函数计算、滚动优化等一系列运算输出满足预设充电曲线的最优开关状态并通过所述控制器14中的PWM脉冲发生器146产生控制信号，控制模块x主电路2电力电子器件的通断。通过对所述充电变流器各个模块的控制，实现多模块充电变流器的整体控制。

所述通讯模块15连接充电变流器其他并联模块的通讯模块3进行双向通信；所述通讯模块15与所述控制器14的预处理及故障诊断模块141双向通信实现控制器14与其他模块间的信息交互；所述通讯模块15接收上位机5发出的系统状态信息并将所述预处理及故障诊断模块141产生的故障信息送至上位机5。充电变流器单模块主电路2的电力电子器件为IGBT或MOSFET等全控型半导体电力电子器件。所述的充电变流器采用4个模块错相90度并联。本发明控制装置1采用的控制算法基于构成所述充电变流器的单个模块的状态参数展开，控制对象为该模块的电力电子器件。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1、电源模块11为控制装置1中的传感器12、调理电路13、控制器14、通讯模块15供电；

步骤2、当PWM脉冲发生器146的载波周期为T时，传感器12以T/4为采样间隔采集模块x充电变流器内的输出电流和电压状态；

步骤3、传感器12采集到的电流、电压信号经调理电路13处理送入控制器14，时刻k时的电流、电压信号分别记为i_x(k)和u_x(k)；

步骤4、将步骤3采集到的i_x(k)、u_x(k)存入控制器14的存储器142；

步骤5、通讯模块15获得上位机5发出的系统状态信息；

步骤6、设定k+1时刻，模块x主电路电力电子器件的导通比D_x(k+1)的迭代初值为D_x(k)，k为非负整数，当k＝0时，令D_x(k)＝0；

步骤7、控制器14基于存储器142存储的模块x状态变量历史数据经系统离散预测模块143预测k+1时刻、k+2时刻模块x的输出电流值i_px(k+1)、i_px(k+2)，再由模块x的状态变量以及预测模块143的预测结果，结合数学模型计算k时刻多模块并联充电系统的预测输出总电流I_px(k)；

步骤8、预处理及故障诊断模块141从存储器142读取k时刻模块x状态变量，从通讯模块15获取k时刻系统状态信息，经预处理及故障诊断模块141运算得到k时刻输出电流设定参考值I*(k)返送回存储器142；

步骤9、价值函数计算模块144和寻优控制模块145，将步骤5得到的k时刻多模块并联充电系统的预测输出总电流I_px(k)代入价值函数模型，计算系统价值函数；

步骤10、根据价值函数的计算结果，调整D_x(k+1)的值，重复步骤6到步骤9，得到使得价值函数最小的模块x主电路电力电子器件的开关状态，作为下一时刻PWM脉冲发生器146的输入信号，同时将开关状态返送回存储器，参与下一次寻优预测；

步骤11、将步骤10得到的开关状态输入PWM脉冲发生器146，产生驱动信号控制模块x主电路2电力电子器件的开断；

步骤12、预处理及故障诊断模块141通过比较系统状态信息和模块x的状态变量、预测状态变量，根据故障诊断控制策略进行故障诊断并根据诊断结果对I*(k)的算法进行修正。

如图3所示为本发明一实施例控制装置对模块x充电控制算法的示意图，控制器14通过所述传感器12获得k时刻、k-1时刻模块x主电路的输出电流i_x(k)、i_x(k-1)，k-1时刻、k时刻模块x输出电压u_o(k-1)、u_o(k)，输入电压u_in(k-1)、u_in(k)。传感器检测的模块将寻优控制模块145得到的寻优结果D_x(k-1)、D_x(k)与上述i_x(k)、i_x(k-1)、u_o(k-1)、u_o(k)、u_in(k-1)、u_in(k)共同作为系统离散预测模型的输入变量，以D_x(k)为迭代初值，根据价值函数的计算结果，不断调整D_x(k+1)的值，得到不同的k时刻基于模块x的充电系统预测输出总电流I_px(k)，当k＝0时，令D_x(k)＝0。预处理及故障诊断模块根据系统输出电流I(k)和上述I_px(k)诊断充电变流器的工作状态，并给出k时刻输出电流设定参考值I*(k)。将I_px(k)和I*(k)代入数学模型计算价值函数，最终筛选出使得价值函数最小的D_x(k+1)的值作为寻优结果，控制下一时刻充电变流器单模块主电路2电力电子器件的开断，进而实现对单模块主电路的输出状态的闭环控制。接下来将对系统离散预测模型的建立过程展开具体阐述。

根据电路模型，建立模块x的系统状态方程，可以得到：

其中，状态向量x_x(t)＝[i_x(t),u_x(t)]^T，

表示状态向量关于时间的导数，i_x(t)、u_x(t)分别表示模块x主电路的输出电流、输出电压，A、B为系数矩阵，u_in(t)表示模块x的输入电压。经系统离散化处理，可以得到：

其中，i_x(k-1)、i_x(k)表示k-1时刻、k时刻模块x主电路的输出电流，i_x(k+1)、i_x(k+2)表示系统预测k+1、k+2时刻模块x主电路的输出电流，u_o(k-1)、u_o(k)、u_o(k+1)表示模块x在k-1时刻、k时刻、k+1时刻的输出电压，即滤波电容两端电压，u_in(k-1)、u_in(k)表示k-1时刻、k时刻模块x的输入电压；D_x(k-1)、D_x(k)、D_x(k+1)表示k-1时刻、k时刻、k+1时刻电力电子器件的导通比。f函数具体表示如下：

由电容电压的连续性质，可以近似得到

C为滤波电容容值，Δt取采样间隔，即

T为控制信号周期。假定在Δt时间内，输入电压变化连续，在该预测模型中忽略Δt时间其变化量，即令u_in(k+1)＝u_in(k)，可将(3)式化简为：i_x(k+2)＝g(i_x(k-1),i_x(k),u_o(k-1),u_o(k),u_in(k-1),u_in(k),D_x(k-1),D_x(k),D_x(k+1)) (5)

其中，g为按照上述方法进行变量处理后，将i_x(k+1)代入f函数所得到的函数关系式。

由于本发明一实施例多模块充电变流器是由四个模块按照依次错相90度进行控制，故假设四个模块的控制策略除相位外均一致，即在预测模型中利用模块x不同时刻的状态变量替代同一时刻与模块x错相并联的其他模块的状态变量。基于以上假设，利用叠加法构造基于模块x的充电系统预测输出总电流I_px(k)的模型：

I_px(k)＝i_x(k-1)+i_x(k)+i_x(k+1)+i_x(k+2) (6)

i_x(k)的采样间隔为T/4，即I_px(k)相当于

时刻的模块x输出电流或预测输出电流叠加。将(2)、(5)式代入(6)式，可化简得到：

I_px(k)＝h(i_x(k-1),i_x(k),u_o(k-1),u_o(k),u_in(k-1),u_in(k),D_x(k-1),D_x(k),D_x(k+1)) (7)

h表示将i_x(k+1)和i_x(k+2)代入预测输出总电流I_px(k)的计算公式后得到的函数。当历史数据缺乏，无法得到i_x(k-1)时，用i_x(k)替代，即定义:当k＝0时，

i_x(k-1)＝i_x(k) (8)

基于系统离散预测模型，可以从单模块的状态变量预测变流器的系统输出状态，进而在系统状态信号缺乏或反应迟钝的情况下仍能在单模块内模拟多模块错相并联下的状态输出，进而使控制更为精准、超前。

寻优预测价值函数的建立过程如下：将基于模块x的多模块充电系统预测输出总电流I_px(k)和系统输出电流设定参考值I*(k)作为价值函数模型的输入量，利用I_px(k)和I*(k)差值的平方值构造寻优预测价值函数：

其中，J(I_px(k),I*(k))为所述寻优预测算法的价值函数，I*(k)为预处理及故障诊断模块141根据控制策略运算得到的k时刻输出电流设定参考值，D_x(k+1)的初值取D_x(k)，通过反复迭代使目标函数J(I_px(k),I*(k))趋近0，此时D_x(k+1)作为寻优结果，返送回存储器，控制PWM脉冲发生器146下一时刻的工作，并参与下一次寻优预测。

正常工作状态下，各模块按照图3所示的充电控制算法运行，但当个别模块出现异常，无法正常工作时，控制器将结合变流器实际总输出电流进行故障诊断。图4所示为本发明一实施例模块x故障诊断逻辑示意图。设置a₁、a₂为故障诊断参数，作为故障判断的量度，在本实施例中a₁、a₂均取90。控制装置通过通讯模块获得上位机发出的k时刻变流器实际总输出电流I(k)。通过将I(k)与模块x预测的k时刻多模块并联充电系统的输出总电流I_px(k)和k时刻系统输出电流设定参考值I*(k)比较，结合故障诊断参数a₁、a₂，可以判断变流器的工作状态。

故障判断过程可描述如下：

步骤1、对模块x工作状态进行判断，比较模块x预测的k时刻多模块并联充电系统的输出总电流I_px(k)和k时刻系统输出电流设定参考值I*(k)的关系。若|I_px(k)-I*(k)|≥a₁，判定模块x工作异常，降低I*(k)并向上位机报警，否则转步骤2；

步骤2、判断模块x之外变流器的其他模块工作状态，比较k时刻变流器实际总输出电流I(k)和k时刻系统输出电流设定参考值I*(k)的关系。若|I(k)-I*(k)|＜a₂，判定多模块充电变流器工作正常，否则转步骤3；

步骤3、预估可能存在的多模块充电变流器的工作异常模块的数量。若

判定多模块充电变流器超过两个以上模块工作异常，控制装置通过通信模块向上位机报警，并强制使模块x处于输出零电压的停止工作状态，否则转步骤4；

步骤4、判定多模块充电变流器有两个及以内模块工作异常，调整I*(k)算法，使模块x在一定范围内补偿工作异常模块带来的电流损失，保证系统输出品质。

由于故障诊断的实现需要依赖通信模块和上位机的信息交互，因此信号刷新的频率会低于控制模块的采样频率，仅作为辅助控制用于提高系统的容错能力。

Claims (10)

1.一种基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置，多模块充电变流器包括多个并联的直流变换模块；其特征在于，包括：

多个用于测量所述直流变换模块输出电流的电流传感器；

多个用于测量所述直流变换模块输出电压的电压传感器；

以及用于对所述输出电流、输出电压进行处理，并输出PWM控制信号，控制所述直流变换模块中电力电子器件的通断的控制器。

2.根据权利要求1所述的基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置，其特征在于，所述电力电子器件为全控型半导体电力电子器件。

3.根据权利要求1所述的基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置，其特征在于，所述全控型半导体电力电子器件为IGBT或MOSFET。

4.根据权利要求1所述的基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置，其特征在于，所述直流变换模块的数量为N个，且N为2以上的整数，相邻两个直流变换模块之间控制信号的相位差为360/N度。

5.根据权利要求1所述的基于寻优预测的多模块充电变流器控制装置，其特征在于，所述控制器与调理电路、通讯模块连接；所述调理电路与所述电流传感器、电压传感器连接；所述通讯模块与上位机通信。

6.一种利用权利要求1～5之一所述的控制装置控制多模块充电变流器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以T/4为采样间隔采集第x个直流变换模块的输出电流和输出电压，其中T为控制信号周期；

2)设定k+1时刻，第x个直流变换模块主电路电力电子器件的导通比D_x(k+1)的迭代初值为D_x(k)，k为非负整数，当k＝0时，令D_x(k)＝0；

3)利用第x个直流变换模块k时刻、k-1时刻的状态变量历史数据预测k+1时刻、k+2时刻第x个直流变换模块的输出电流值i_x(k+1)、i_x(k+2)，由第x个直流变换模块的状态变量及各直流变换模块的输出电流值，建立k时刻多模块充电变流器的预测输出总电流I_px(k)的数学模型；

4)获取k时刻系统的输出电流和输出电压，运算得到k时刻输出电流设定参考值I*(k)；

5)将步骤3)得到的I_px(k)和步骤4)得到的I*(k)代入价值函数模型J(I_px(k),I*(k))，计算多模块充电变流器的价值函数；

6)根据价值函数的计算结果，调整D_x(k+1)的值，重复步骤2)～5)，得到使得价值函数最小的第x个直流变换模块主电路电力电子器件的开关状态，作为下一时刻PWM脉冲发生器的输入信号，同时返回开关状态，参与下一次寻优预测；

7)将步骤6)得到的导通比D_x(k+1)输入PWM脉冲发生器，产生驱动信号控制第x个直流变换模块主电路电力电子器件的开断。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第x个直流变换模块预测k+1、k+2时刻主电路的输出电流i_x(k+1)、i_x(k+2)计算公式为：

其中，u_in(k-1)、u_in(k)表示k-1时刻、k时刻第x个直流变换模块的输入电压；D_x(k-1)、D_x(k)、D_x(k+1)表示k-1时刻、k时刻、k+1时刻电力电子器件的导通比；u_o(k-1)、u_o(k)、u_o(k+1)表示第x个直流变换模块在k-1时刻、k时刻、k+1时刻的输出电压；i_x(k-1)、i_x(k)表示k-1时刻、k时刻第x个直流变换模块主电路的输出电流；f函数具体表示如下：

由电容电压的连续性质，可以近似得到

C为滤波电容容值，Δt取采样间隔，即

假定在Δt时间内，输入电压变化连续，在该预测模型中忽略Δt时间内其变化量，即令u_in(k+1)＝u_in(k)，代入i_x(k+1)表达式后i_x(k+2)可表示为：

i_x(k+2)＝g(i_x(k-1),i_x(k),u_o(k-1),u_o(k),u_in(k-1),u_in(k),D_x(k-1),D_x(k),D_x(k+1))

其中，g为按照上述方法进行变量处理后，将i_x(k+1)代入f函数所得到的函数关系式。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，预测输出总电流I_px(k)的计算公式为：

I_px(k)＝i_x(k-1)+i_x(k)+i_x(k+1)+i_x(k+2)；

即令k时刻基于第x个直流变换模块的多模块充电变流器预测输出总电流I_px(k)等于以T/4为时间间隔的相邻四个时刻下，第x个直流变换模块的输出电流之和。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

I_px(k)＝h(i_x(k-1),i_x(k),u_o(k-1),u_o(k),u_in(k-1),u_in(k),D_x(k-1),D_x(k),D_x(k+1))；

h表示将i_x(k+1)和变量处理后的i_x(k+2)表达式代入预测输出总电流I_px(k)的计算公式后得到的函数；其中，当k＝0时，i_x(k-1)＝i_x(k)。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述价值函数模型表达式为：

其中，J(I_px(k),I*(k))为价值函数，I*(k)为k时刻输出电流设定参考值，D_x(k+1)的初值取D_x(k)，通过反复迭代使目标函数J(I_px(k),I*(k))趋近0，此时D_x(k+1)作为寻优结果，控制PWM脉冲发生器下一时刻的工作，并参与下一次寻优预测。

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