CN112117906B - 一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法 - Google Patents

一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法，其特征在于其具体操作方法为：首先获取待测取三个移相角值；根据预设的变换器数据和所述待测取移相角值计算得到对应的电感电流值；然后建立变换器等效电路模型，变换器等效电路模型包括输入、输出直流电压与电感串联连接；本发明根据给定变换器数据及移相角范围求解对应的3种输出功率、电感电流有效值与调节参量的三元二次方程、三元三次方程，在确定调节参量，即第二全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比与输出功率呈减函数关系，根据该调节参量是否为0，选择所述变换器控制方式。

Description

一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法
技术领域
本申请涉及电气自动化设备技术领域，尤其是涉及一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法。
背景技术
在以可再生能源、分布式发电等清洁能源为主要发展目标的能源革命的背景下，有效地对电能进行管理调度以及故障隔离的电力电子接口技术是能源互联网实现的关键技术之一。高功率密度，模块化对称结构的双主动全桥变换器由于其在移相控制下能够实现双向能量传输成为电力电子变压器功率传输级的常用拓扑。因此，目前对双主动全桥变换器的研究，关键在于对移相控制三个移相角值的快速、实时地精确确定。
发明内容
根据以上技术问题，本发明提供一种能量变换效率高且有效降低变换器热效应的变换器优化方法。
一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法，其特征在于其具体操作方法为：
首先获取待测取三个移相角值；
根据预设的变换器数据和所述待测取移相角值计算得到对应的电感电流值；
然后建立变换器等效电路模型，其中，变换器等效电路模型包括输入、输出直流电压与电感串联连接；
根据上述待测取移相角值的范围得出变换器三种传输功率范围；
根据预设的变换器等效电路模型和待测取的移相角计算输入、输出电压；
根据所述变换器数据，求解基于所述变换器数据、所述待测三个移相角值和对应的输出功率值确定三元二次方程；所述三元二次方程表征输出功率与调节参量的函数关系，所述调节参量为第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第二全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第二全桥第一功率管的触发脉冲移相角对应的占空比；
根据所述变换器数据，求解基于所述变换器数据、所述待测三个移相角值和对应电感电流有效值三元三次方程；所述三元三次方程表征输出功率与调节参量的函数关系，所述调节参量为第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第二全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第二全桥第一功率管的触发脉冲移相角对应的占空比；
根据所述变换器数据，求解基于所述变换器数据、所述待测三个移相角值和对应无功功率三元二次方程；所述三元二次方程表征无功功率与调节参量的函数关系，所述调节参量为第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第二全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第二全桥第一功率管的触发脉冲移相角对应的占空比；
根据预设的变换器数据和所述待测取移相角值计算得到三种模式下对应对应的输出功率、电感电流有效值；
根据预设的变换器数据和所述待测取的移相角值得到统一无功功率计算公式；
采用常微分求偏导数方法，对所述无功功率分别对移相角值求解偏导数，验证移相角对传输功率的影响；
根据移相角范围选择功率传输模式对所述变换器进行控制；
根据移相角值对无功功率的影响，确定某一移相角值对传输功率的影响，固定所述移相角值；
基于多目标智能粒子群算法，结合所述移相角度对传输功率的影响及所述功率传输模式，对所述移相角值对应的输出功率和电感电流有效值进行优化；输出所述优化结果。
所述变换器包括电感、第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管、第六功率管、第七功率管、第八功率管、输入电容和输出电容，所述第一功率管、第二功率管、第三功率管和所述第四功率管组成第一全桥，所述第五功率管、第六功率管、第七功率管和所述第八功率组成第二全桥，所述第一全桥和输入电容并联作为变换器的输入端，所述第二全桥与所述输出电容并联作为桥变换器的输出端，所述第一全桥的中点通过所述电感与所述第二全桥的中点连接。
所述变换器数据包括输入电压范围、输出电压范围、功率管的工作周期。
所述变换器移相角值的范围，包括：
模式一：0＜D1＜D0＜1&D1＜D0+D2＜1
模式二：0＜D0＜D1＜1&0＜D0+D2＜D1
模式三：0＜D0＜D1＜1&D1＜D0+D2＜1
所述根据预设变换器数据和所述待测取的三个移相角值计算得到对应的输入、输出电压。
所述采用常微分求解偏导的方法，确定移相角值对无功功率的影响，根据无功功率与传输功率的关系，无功功率的增大会导致传输功率减小，间接确定移相角值对传输功率的影响。
所述根据预设的变换器数据和待测取的移相角值计算得到对应的电感电流值，包括：
所述根据预设的变换器数据和待测取的移相角值计算得到对应的无功功率值，包括：
其中q为变换器在周期T内统一无功功率，n为所述变换器输出电压与输入电压比值。
本发明的有益效果为：本发明根据给定变换器数据及移相角范围求解对应的3种输出功率、电感电流有效值与调节参量的三元二次方程、三元三次方程，在确定调节参量，即第二全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比与输出功率呈减函数关系，根据该调节参量是否为0，选择所述变换器控制方式；在确定该调节参量后，对输出功率及电感电流有效值采用多目标智能粒子群算法，优化目标是将输出功率及电感电流有效值共同有效减小且快速精确输出移相角值，这样能够避免繁琐的人工试验过程，节省大量时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例提供的一种变换器优化方法的流程图；
图2为本实施例提供的变换器的电路拓扑图；
图3为本实施例提供的一种变换器等效电路模型图；
图4为本发明实施例提供的多目标智能粒子群算法优化流程图；
图5为本发明实施例提供的多目标智能粒子群算法优化结果输出图。
图6为本发明实施例提供的多目标智能粒子群算法优化结果输出图。
图7为本发明实施例提供的多目标智能粒子群算法优化结果输出图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
本发明提供一种变换器优化方法，适应于面对新能源与能量双向传输的变换器进行优化。如图1和图2所示，变换器包括电感L、第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4、第五功率管S5、第六功率管S6、第七功率管S7、第八功率管S8、输入电容C1和输出电容C2，所述第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3和所述第四功率管S4组成第一全桥，所述第五功率管S5、第六功率管S6、第七功率管S7和所述第八功率S8组成第二全桥，所述第一全桥和所述输入电容C1并联作为所述变换器的输入端，所述第二全桥与所述输出电容C2并联作为所述变换器的输出端，所述第一全桥的中点A通过所述电感L与所述第二全桥的中点B连接。第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4、第五功率管S5、第六功率管S6、第七功率管S7、第八功率管S8具体可采用MOS管。该方法包括以下步骤：
步骤S120：获取待测取移相角值。待测取移相角值为变换器第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第二全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第二全桥第一功率管的触发脉冲移相角对应的占空比；具体可以预先设置移相角值范围，包括：
模式一：0＜D1＜D0＜1&D1＜D0+D2＜1
模式二：0＜D0＜D1＜1&0＜D0+D2＜D1
模式三：0＜D0＜D1＜1&D1＜D0+D2＜1
其中，D0为第一全桥第一功率管超前第二全桥第五功率管的触发脉冲占空比，D1为第一全桥第一功率超前第四功率管的触发脉冲占空比，D2为第二全桥第五功率管超前第八功率管的触发脉冲占空比。
步骤S130:根据待测取移相角值范围不同确定三种功率传输模式；
步骤S140:根据预设的变换器数据和待测取移相角值计算对应的输入、输出电压，包括：
步骤S150:根据变换器数据，求解基于变换器数据、待测取移相角值和对应的输出功率确定的3种模式下对应的3个三元二次方程，包括：
模式一：
模式二:
模式三：
其中，P为输出功率，T为功率管的工作周期，L为电感值，
步骤S160:根据变换器数据，求解基于变换器数据、待测取移相角值和对应的电感电流有效值确定的3中模式下的3个三元三次方程，包括：
模式一:
模式二：
模式三：
步骤S170:根据变换器数据，求解基于变换器数据、待测取的移相角值和对应的统一无功功率的三元二次方程，包括：
步骤S180:对所述待测取的移相角值对应的统一无功功率进行常微分求解偏导数，包括：
可以得出D2与无功功率为增函数关系，由于无功功率的增大，输出功率减小可得出D2与输出功率为减函数关系。
步骤S190:选取D2为0。
步骤S200:将三种模式下的输出功率与电感电流有效值同时采用多目标智能粒子群算法进行优化，快速准确得出能够使输出功率最大化，电感电流有效值最小化的移相角组D0、D1组合，输入给变换器功率管对其进行移相控制。其中，多目标智能粒子群算法的具体步骤包括：
步骤1，明确优化目标为Pmax Irms^2；
步骤2，编译表示问题解得向量代码；
步骤3，生成初始种群；
步骤4，计算每个个体的适应度值；
步骤5，是否满足变换器性能的最优解，若是，则输出结果，若不是，则继续运行到步骤6；
步骤6，速度和个体更新；
步骤7，重新计算适应度值；
步骤8，更新个体极值和群体极值，返回步骤4；
步骤9，结束。
变换器数据具体包括变换器的元件参数和工作参数，其中元件参数包括功率管的工作周期，工作参数可包括输入电压范围、输出电压范围、电感、输入电容和输出电容等。本实施例中，变换器数据包括输入电压范围、输出电压范围和功率管的工作周期。具体地，如图2所示，变换器的输入电压V1，输出电压V2，电感L，输入电容C1和输出电容C2，第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4、第五功率管S5、第六功率管S6、第七功率管S7、第八功率管S8工作周期T。
本发明实施例所提供的装置，与上述实施例提供的方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法，其特征在于其具体操作方法为：首先获取待测取三个移相角值；
根据预设的变换器数据和所述待测取移相角值计算得到对应的电感电流值；
然后建立变换器等效电路模型，其中，变换器等效电路模型包括输入、输出直流电压与电感串联连接；
根据上述待测取移相角值的范围得出变换器三种传输功率范围；
根据预设的变换器等效电路模型和待测取的移相角计算输入、输出电压；
根据所述变换器数据，求解基于所述变换器数据、所述待测三个移相角值和对应的输出功率值确定三元二次方程；所述三元二次方程表征输出功率与调节参量的函数关系，所述调节参量为第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第二全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第二全桥第一功率管的触发脉冲移相角对应的占空比；
根据所述变换器数据，求解基于所述变换器数据、所述待测三个移相角值和对应电感电流有效值三元三次方程；所述三元三次方程表征输出功率与调节参量的函数关系，所述调节参量为第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第二全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第二全桥第一功率管的触发脉冲移相角对应的占空比；
根据所述变换器数据，求解基于所述变换器数据、所述待测三个移相角值和对应无功功率三元二次方程；所述三元二次方程表征无功功率与调节参量的函数关系，所述调节参量为第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第二全桥第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比，第一全桥第一功率管的触发脉冲超前第二全桥第一功率管的触发脉冲移相角对应的占空比；
根据预设的变换器数据和所述待测取移相角值计算得到三种模式下对应对应的输出功率、电感电流有效值；
根据预设的变换器数据和所述待测取的移相角值得到统一无功功率计算公式；
采用常微分求偏导数方法，对所述无功功率分别对移相角值求解偏导数，验证移相角对传输功率的影响；
根据移相角范围选择功率传输模式对所述变换器进行控制；
根据移相角值对无功功率的影响，确定某一移相角值对传输功率的影响，固定所述移相角值；基于多目标智能粒子群算法，结合所述移相角度对传输功率的影响及所述功率传输模式，对所述移相角值对应的输出功率和电感电流有效值进行优化；输出所述优化结果。
2.根据权利要求1所述的一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法，其特征在于，所述变换器包括电感、第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管、第六功率管、第七功率管、第八功率管、输入电容和输出电容，所述第一功率管、第二功率管、第三功率管和所述第四功率管组成第一全桥，所述第五功率管、第六功率管、第七功率管和所述第八功率组成第二全桥，所述第一全桥和输入电容并联作为变换器的输入端，所述第二全桥与所述输出电容并联作为桥变换器的输出端，所述第一全桥的中点通过所述电感与所述第二全桥的中点连接。
3.根据权利要求1所述的一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法，其特征在于，所述变换器数据包括输入电压范围、输出电压范围、功率管的工作周期。
4.根据权利要求1所述的一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法，其特征在于，所述变换器移相角值的范围，包括：
模式一：0＜D1＜D0＜1&D1＜D0+D2＜1
模式二：0＜D0＜D1＜1&0＜D0+D2＜D1
模式三：0＜D0＜D1＜1&D1＜D0+D2＜1。
5.根据权利要求1所述的一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法，其特征在于，所述根据预设变换器数据和所述待测取的三个移相角值计算得到对应的输入、输出电压。
6.根据权利要求1或4所述的一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法，其特征在于，所述采用常微分求解偏导的方法，确定移相角值对无功功率的影响，根据无功功率与传输功率的关系，无功功率的增大会导致传输功率减小，间接确定移相角值对传输功率的影响。
7.根据权利要求1或4所述的一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法，其特征在于，所述根据预设的变换器数据和待测取的移相角值计算得到对应的电感电流值，包括：
。
8.根据权利要求1或5所述的一种三重移相控制下双主动全桥变换器优化方法，其特征在于，所述根据预设的变换器数据和待测取的移相角值计算得到对应的无功功率值，包括：
其中q为变换器在周期T内统一无功功率，n为所述变换器输出电压与输入电压比值。
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