CN113765408B - 基于预测控制的dab变换器关断损耗优化控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法及系统包括：获取双有源桥式变换器的输入电压、输出电压、输出参考电压和输出电流；根据获取的输入电压、输出电压、输出参考电压、输出电流和单重移相预测控制器，获得单重移相控制下的相移量；根据单重移相控制下的相移量，获取传输功率；根据传输功率和关断损耗优化计算模型，获取扩展移相控制下的内相移量和外相移量，其中，关断损耗优化计算模型的获取过程为：根据变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，获取关断损耗的表达式；以在当前传输功率下关断损耗最小化为目标，对关断损耗表达式进行最优求解，获得关断损耗优化计算模型；根据内相移量和外相移量对各开关元件进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及变换器控制技术领域，尤其涉及一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着各类新型发配电系统的发展，作为其关键接口的双有源桥式变换器(DAB变换器)得到了广泛的应用，在低开关频率下，DAB变换器中的磁性元件体积通常会很大，这使系统的功率密度降低。因此，通过增加开关频率来减小变换器的尺寸，提高功率密度。然而，随着开关频率的增加，系统的开关损耗也会明显增加。因此，在高频条件下DAB变换器的开关损耗优化将会成为稳态性能的一个关键问题。此外，变换器的动态响应能力也是当下研究的一个重点，与预测控制结合可兼顾优化变换器的稳态性能与暂态性能，对新型发配电系统的发展有深远意义。
现有的提高DAB变换器传输效率的方法主要有优化电流峰值、通过软开关技术实现零电压导通等，主要集中在对变换器的导通损耗及开通开关损耗进行优化，并且往往通过PI控制器实现控制。
然而，优化电流峰值的策略仅考虑针对变换器的导通损耗进行优化，在高频工况下，开关损耗大大增加，此方案的优化效果相对会降低；通过软开关技术实现零电压导通时，DAB变换器较容易实现零电压导通，从而大大降低开通损耗，但是零电流关断在DAB中难以实现，使得其关断损耗难以通过上述软开关技术实现。
此外，上述方法与传统的PI控制相结合进行变换器控制时，变换器的暂态性能相对较差。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法及系统，通过单重移相预测控制器计算获得单重移相控制下的相移量，根据此相移量获得传输功率，根据传输功率和关断损耗优化计算模型获得内相移量和外相移量，进而对各开关元件进行控制，降低了DAB变换器的关断损耗，提高了DAB变换器的暂态与稳态性能。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，提出了一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法，包括：
获取双有源桥式变换器的输入电压、输出电压、输出参考电压和输出电流；
根据获取的输入电压、输出电压、输出参考电压、输出电流和单重移相预测控制器，获得单重移相控制下的相移量；
根据单重移相控制下的相移量，获取传输功率；
根据传输功率和关断损耗优化计算模型，获取扩展移相控制下的内相移量和外相移量，其中，关断损耗优化计算模型的获取过程为：根据变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，获取关断损耗的表达式；以在当前传输功率下关断损耗最小化为目标，对关断损耗表达式进行最优求解，获得关断损耗优化计算模型；
根据内相移量和外相移量对各开关元件进行控制；
关断损耗优化计算模型为：
其中，D1为内相移量；D2为外相移量；P为传输功率；k为电压变比，k＝Uin/nUout,Uin为输入电压，Uout为输出电压；
单重移相预测控制器的输出表达式为：
其中：
取代价函数J：
其中，L为功率传输电感的电感值；C为二次侧支撑电容的电容值；Ths为半周期；I0输出电流；
为输出参考电压；Uout为输出电压；Uin为输入电压；n为变压器变比；K代表时间。
第二方面，提出了一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制系统，包括：
数据获取模块，用于获取双有源桥式变换器的输入电压、输出电压、输出参考电压和输出电流；
相移量获取模块，用于根据获取的输入电压、输出电压、输出参考电压、输出电流和单重移相预测控制器，获得单重移相控制下的相移量；
传输功率获取模块，用于根据单重移相控制下的相移量，获取传输功率；
内相移量和外相移量获取模块，用于根据传输功率和关断损耗优化计算模型，获取扩展移相控制下的内相移量和外相移量，其中，关断损耗优化计算模型的获取过程为：根据变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，获取关断损耗的表达式；以在当前传输功率下关断损耗最小化为目标，对关断损耗表达式进行最优求解，获得关断损耗优化计算模型；
开关元件控制模块，用于根据内相移量和外相移量对各开关元件进行控制；
关断损耗优化计算模型为：
其中，D1为内相移量；D2为外相移量；P为传输功率；k为电压变比，k＝Uin/nUout,Uin为输入电压，Uout为输出电压；
单重移相预测控制器的输出表达式为：
其中：
取代价函数J：
其中，L为功率传输电感的电感值；C为二次侧支撑电容的电容值；Ths为半周期；I0输出电流；
为输出参考电压；Uout为输出电压；Uin为输入电压；n为变压器变比；K代表时间。
第三方面，提出了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法所述的步骤。
第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法所述的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开根据变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，构建关断损耗表达式；进而以在当前传输功率下关断损耗最小为目标，对关断损耗表达式进行最优求解获得了关断损耗优化计算模型，通过该模型计算获得的扩展移相控制下的内相移量和外相移量，能够保证变换器的关断损耗最小，进而对变换器的各开关元件进行控制时，能够降低变换器的开关损耗，提高DAB变换器的稳态性能。
2、本公开通过单重移相预测控制器计算获得单重移相控制下的相移量，根据此相移量获得传输功率，根据传输功率和关断损耗优化计算模型获得扩展移相控制下的内相移量和外相移量，进而对各开关元件进行控制，降低了DAB变换器的关断损耗，提高了DAB变换器的暂态与稳态性能。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例1公开的关断损耗优化控制框图；
图2为单模块DAB变换器拓扑结构；
图3为DAB变换器在扩展移相下的工作波形；
图4为DAB变换器在扩展移相降压模式下电感电流波形；
图5为DAB变换器在扩展移相升压模式下电感电流波形。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
在该实施例中，公开了一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法，包括：
获取双有源桥式变换器的输入电压、输出电压、输出参考电压和输出电流；
根据获取的输入电压、输出电压、输出参考电压、输出电流和单重移相预测控制器，获得单重移相控制下的相移量；
根据单重移相控制下的相移量，获取传输功率；
根据传输功率和关断损耗优化计算模型，获取扩展移相控制下的内相移量和外相移量，其中，关断损耗优化计算模型的获取过程为：根据变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，获取关断损耗的表达式；以在当前传输功率下关断损耗最小化为目标，对关断损耗表达式进行最优求解，获得关断损耗优化计算模型；
根据内相移量和外相移量对各开关元件进行控制；
关断损耗优化计算模型为：
其中，D1为内相移量；D2为外相移量；P为传输功率；k为电压变比，k＝Uin/nUout,Uin为输入电压，Uout为输出电压；
单重移相预测控制器的输出表达式为：
其中：
取代价函数J：
其中，L为功率传输电感的电感值；C为二次侧支撑电容的电容值；Ths为半周期；I0输出电流；
为输出参考电压；Uout为输出电压；Uin为输入电压；n为变压器变比；K代表时间。
进一步的，获取关断损耗表达式的具体过程为：
构建变换器在扩展移相控制下任意时刻的电感电流表达式及变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系式；
将电感电流表达式代入变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系式中，并进行标幺化，获得关断损耗表达式；
进一步的，传输功率表达式根据双有源桥式变换器的输入电压、输出电压、内相移量和外相移量构建获得。
进一步的，通过拉格朗日乘子法对关断损耗表达式进行最优求解，获得关断损耗优化计算模型。
进一步的，根据相移量，获取传输功率的过程为：
其中，L为变换器电感的电感值；Uout为输出电压；Uin为输入电压；n为变压器变比；fs为工作频率；D为相移量。
对本实施例公开的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法进行详细说明。
为了优化DAB变换器的关断损耗、使变换器拥有较快的动态响应速度，进而提高DAB变换器的稳态与暂态性能，本实施例通过变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，以关断损耗最小为目标，构建关断损耗表达式；利用拉格朗日乘子法对关断损耗表达式进行优化计算，获得任意工况下最小化关断损耗时的开关控制信号，实现对DAB变换器关断损耗的优化，在此基础上，结合单重移项预测控制器对DAB变换器进行优化控制，使得变换器的动态性能得到提升。
DAB变换器由两个全桥逆变器和一个隔离变压器构成，如图2所示，通过控制各开关元件控制信号之间的相移量，从而改变变压器两侧电压的极性，以产生相位不同的脉冲交流电，进而实现能量的传递。
DAB变换器在扩展相移控制下的工作波形如图3所示。其中：D1为内相移量，即开关管S1与S3控制信号之间的相移量；D2为外相移量，即开关管S1与S5控制信号之间的相移量。下面以0≤D1≤D2≤1的情况为例，DAB变换器任意时刻的电感电流表达式及传输功率表达式为：
其中，IL电感电流，U1为一次侧全桥输出电压，U2为二次侧全桥输出电压；L为变换器电感的电感值；t为时间；t0为初始时间；n为变压器变比；D1为内相移量；D2为外相移量；P为传输功率；Uin为输入电压，Uout为输出电压；fs为工作频率。
利用MOSFET开关管关断损耗与其电流值的关系，并将其应用于DAB所有开关管中，获得DAB变换器关断损耗与电感电流的关系为：
PSWoff＝μfsUintoff(|IL(t0)|+|IL(t1)|)+2μfsnUouttoff|IL(t2)| (3)
其中，PSWoff为关断损耗；μ、toff为与开关元件相关的常数，t1～t3为图4、5所示的三个工作状态切换时刻。
根据图4、5两种工作模式下的电感电流波形与表达式(1)，可计算获得图4、5和式(3)中t0、t1、t2三个时刻电感电流的表达式：
其中，IL电感电流，L为变换器电感的电感值；t1～t3为时间；n为变压器变比；Uout为输出电压；fs为工作频率；D1为内相移量；D2为外相移量。
将电感电流表达式(公式(4)、(5)、(6))代入变换器关断损耗与电感电流的关系式(3)中，并进行标幺化，获得关断损耗表达式：
其中，pSWoff为关断损耗标幺值，k为电压变比，k＝Uin/nUout,Uin为输入电压，Uout为输出电压，n为变压器变比。
根据关断损耗表达式(7)，以在当前传输功率下关断损耗最小为目标，构建关断损耗优化计算表达式：
根据式(3)和图4、5可发现，在优化关断损耗的同时，电感电流峰值也可以得到一定的优化。通过拉格朗日乘子法计算得最小化关断损耗时两相移量的表达式，此表达式即为关断损耗优化计算模型，为：
为了在优化关断损耗的同时，使变换器拥有较快的动态响应速度，设计了一种预测控制策略。
如图2所示，DAB变换器输出侧电流的关系为：
IC＝I2-Io (10)
其中，IC为二次侧支撑电容的电流；I2为二次侧全桥输出电流；Io为输出电流。
二次侧全桥输出电流可通过传输功率与输出电压表示，同时利用二次侧支撑电容使用前向欧拉法离散化，可将公式(10)化为：
对公式(11)进行变换获得输出电压预测模型：
其中，C为电容值；Ths为半周期；I0为输出电流；Uout为输出电压；K代表时间；P为传输功率。
取代价函数J：
其中，
为输出参考电压。
由于公式(12)中，传输功率P为相移量的函数，只需通过计算，得到式(13)最小时的相移量，即可实现对DAB变换器的恒压控制。
本实施例公开的预测控制的目的是控制变换器能够稳定运行在某目标输出下，并保证具有较快的响应速度。
由于关断损耗优化计算模型基于扩展移项构建，具有两个控制变量，传输功率表达式会随两个控制变量大小关系不同而变化，导致预测模型较为复杂，故在扩展移相下并不适合使用预测控制；单重移相调制下，DAB变换器各桥臂开关元件控制量之间只有一个相移量，因而计算量大大减少；故本实施例选择通过单重移项来计算传输功率。
其中，单重移项下，单重移相预测控制器为：
其中：
式中，L为变换器电感的电感值；C为二次侧支撑电容的电容值；Ths为半周期；Io输出电流；Uout ref为输出参考电压；Uout为输出电压；Uin为输入电压；n为变压器变比；K代表时间。
通过单重移相预测控制器可以获得DAB变换器的相移量D。
观察式(12)和式(13)可发现，不同移相调制策略下，输出电压预测模型(12)的区别主要在于传输功率的表达式不同。若使扩展移相下的传输功率PEPS(D1,D2)与单重移相调制下的传输功率PSPS(D)相等，此时假如在单重移相下相移量为D时，可以使代价函数最小，则扩展移相下的相移量组合D1、D2一定也可以使代价函数最小。
故本实施例在利用此关系进行DAB预测控制时的具体过程为：
S1：获取双有源桥式变换器的输入电压Uin、输出电压Uout、输出参考电压Uout ref和输出电流Io。
S2：根据获取的输入电压Uin、输出电压Uout、输出参考电压Uout ref、输出电流Io和单重移相预测控制器，获得相移量D，此相移量D能够实现DAB变换器的恒压输出。
S3：根据相移量D，获取传输功率P。
在具体实施时，在不改变预测控制下系统的恒压输出条件(即不改变式(12)中传输功率的值，使式(13)最小化依旧成立)的前提下，对相移量D进行处理。即：通过D计算出此时的传输功率P。
S4：根据传输功率P和关断损耗优化计算模型，获取扩展移相控制下的内相移量D1和外相移量D2。
具体为：将传输功率P代入公式(9)中，计算获得内相移量D1和外相移量D2，此时的D1和D2即可保证传输功率为P。
S5：根据内相移量和外相移量对各开关元件进行控制。
由于内相移量D1和外相移量D2的组合一定满足使变换器的传输功率为P，依然满足恒压输出条件，故本实施例的优化控制方法在对关断损耗进行优化的同时，实现暂态与稳态性能的同时优化。
本实施例公开的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法，根据变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，构建关断损耗表达式；进而以当前传输功率下关断损耗最小为目标，对关断损耗表达式进行最优求解获得了关断损耗优化计算模型，通过该模型计算获得的内相移量和外相移量，能够保证变换器的关断损耗最小，进而对变换器的各开关元件进行控制时，能够降低变换器的导通损耗、开关关断损耗，提高DAB变换器的稳态性能；通过单重移相预测控制器计算获得相移量，根据相移量获得传输功率，根据传输功率和关断损耗优化计算模型获得扩展移相控制下的内相移量和外相移量，进而对各开关元件进行控制，降低了DAB变换器的关断损耗，提高了DAB变换器的暂态与稳态性能。
实施例2
在该实施例中，公开了一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制系统，包括：
数据获取模块，用于获取双有源桥式变换器的输入电压、输出电压、输出参考电压和输出电流；
相移量获取模块，用于根据获取的输入电压、输出电压、输出参考电压、输出电流和单重移相预测控制器，获得单重移相控制下的相移量；
传输功率获取模块，用于根据单重移相控制下的相移量，获取传输功率；
内相移量和外相移量获取模块，用于根据传输功率和关断损耗优化计算模型，获取扩展移相控制下的内相移量和外相移量，其中，关断损耗优化计算模型的获取过程为：根据变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，获取关断损耗的表达式；以在当前传输功率下关断损耗最小化为目标，对关断损耗表达式进行最优求解，获得关断损耗优化计算模型；
开关元件控制模块，用于根据内相移量和外相移量对各开关元件进行控制；
关断损耗优化计算模型为：
其中，D1为内相移量；D2为外相移量；P为传输功率；k为电压变比，k＝Uin/nUout,Uin为输入电压，Uout为输出电压；
单重移相预测控制器的输出表达式为：
其中：
取代价函数J：
其中，L为功率传输电感的电感值；C为二次侧支撑电容的电容值；Ths为半周期；I0输出电流；
为输出参考电压；Uout为输出电压；Uin为输入电压；n为变压器变比；K代表时间。
实施例3
在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法所述的步骤。
实施例4
在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法所述的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法，其特征在于，包括：
获取双有源桥式变换器的输入电压、输出电压、输出参考电压和输出电流；
根据获取的输入电压、输出电压、输出参考电压、输出电流和单重移相预测控制器，获得单重移相控制下的相移量；
根据单重移相控制下的相移量，获取传输功率；
根据传输功率和关断损耗优化计算模型，获取扩展移相控制下的内相移量和外相移量，其中，关断损耗优化计算模型的获取过程为：根据变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，获取关断损耗的表达式；以在当前传输功率下关断损耗最小化为目标，对关断损耗表达式进行最优求解，获得关断损耗优化计算模型；
根据内相移量和外相移量对各开关元件进行控制；
关断损耗优化计算模型为：
其中，D1为内相移量；D2为外相移量；P为传输功率；k为电压变比，k＝Uin/nUout,Uin为输入电压，Uout为输出电压；
单重移相预测控制器的输出表达式为：
其中：
取代价函数J：
其中，L为功率传输电感的电感值；C为二次侧支撑电容的电容值；Ths为半周期；I0输出电流；
为输出参考电压；Uout为输出电压；Uin为输入电压；n为变压器变比；K代表时间。
2.如权利要求1所述的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法，其特征在于，获取关断损耗表达式的具体过程为：
构建变换器在扩展移相控制下任意时刻的电感电流表达式及变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系式；
将电感电流表达式代入变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系式中，并进行标幺化，获得关断损耗表达式。
3.如权利要求2所述的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法，其特征在于，传输功率表达式根据双有源桥式变换器的输入电压、输出电压、内相移量和外相移量构建获得。
4.如权利要求1所述的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法，其特征在于，通过拉格朗日乘子法对关断损耗表达式进行最优求解，获得关断损耗优化计算模型。
5.如权利要求1所述的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法，其特征在于，根据相移量，获取传输功率的过程为：
其中，L为变换器电感的电感值；Uout为输出电压；Uin为输入电压；n为变压器变比；fs为工作频率；D为相移量。
6.一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取双有源桥式变换器的输入电压、输出电压、输出参考电压和输出电流；
相移量获取模块，用于根据获取的输入电压、输出电压、输出参考电压、输出电流和单重移相预测控制器，获得单重移相控制下的相移量；
传输功率获取模块，用于根据单重移相控制下的相移量，获取传输功率；
内相移量和外相移量获取模块，用于根据传输功率和关断损耗优化计算模型，获取扩展移相控制下的内相移量和外相移量，其中，关断损耗优化计算模型的获取过程为：根据变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，获取关断损耗的表达式；以在当前传输功率下关断损耗最小化为目标，对关断损耗表达式进行最优求解，获得关断损耗优化计算模型；
开关元件控制模块，用于根据内相移量和外相移量对各开关元件进行控制；
关断损耗优化计算模型为：
其中，D1为内相移量；D2为外相移量；P为传输功率；k为电压变比，k＝Uin/nUout,Uin为输入电压，Uout为输出电压；
单重移相预测控制器的输出表达式为：
其中：
取代价函数J：
其中，L为功率传输电感的电感值；C为二次侧支撑电容的电容值；Ths为半周期；I0输出电流；
为输出参考电压；Uout为输出电压；Uin为输入电压；n为变压器变比；K代表时间。
7.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-5任一项所述的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-5任一项所述的一种基于预测控制的DAB变换器关断损耗优化控制方法的步骤。
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