CN114221553A - 一种基于模型预测控制的dab变换器控制方法及系统 - Google Patents

一种基于模型预测控制的dab变换器控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提出了一种基于模型预测控制的DAB变换器控制系统，方法包括如下步骤：基于变换器的模型预测控制模型，获得引起稳态误差的影响参数；获取变换器的运行数据，采用参数辨识递归运算方法辨识影响参数；根据获得的影响参数的辨识结果，实时更新变换器模型预测控制模型的参数，基于更新后的模型预测控制模型输出无稳态误差的控制量，实现变换器的运行控制。本公开的方法能够保留变换器基于模型预测控制的暂态性能优良的优点，解决了预测控制对模型参数过度依赖的缺陷，适用于大多数DAB变换器预测控制系统中。

Description

一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法及系统
技术领域
本公开涉及变换器模型预测控制相关技术领域，具体的说，是涉及一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法及系统。
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，并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(Dual-active-bridge，DAB)DC/DC变换器得到了广泛的应用，对其运行性能也提出了更高的要求。而模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)作为第三代控制技术，因其优秀的暂态性能、易实现多目标优化等优点，成为了当下的研究热点，并被逐渐应用于DAB变换器中。当前，针对DAB变换器的单机恒压运行与多机均功率协同运行，均出现了较为成熟的模型预测控制策略。
当前应用于DAB变换器之中的各类预测控制策略均存在一个共同的缺陷：即控制精度受限于模型的准确度。当模型不准时，将产生如下问题：
(1)单机恒压控制的稳态输出电压存在误差，降低变换器的输出精度。
(2)多机均功率控制时，各机之间的功率均衡分配出现问题，使得某个变换器承受较大的功率压力，使得系统运行的可靠性下降，并降低器件的使用寿命。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法及系统，能够保留变换器基于模型预测控制的暂态性能优良的优点，解决了预测控制对模型参数过度依赖的缺陷，能够有效消除模型预测控制中稳态误差，适用于大多数DAB变换器预测控制系统中。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一个或多个实施例提供了一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，包括如下步骤：
基于变换器的模型预测控制模型，获得引起稳态误差的影响参数；
获取变换器的运行数据，采用参数辨识递归运算方法辨识影响参数；
根据获得的主要影响参数的辨识结果，实时更新变换器模型预测控制模型的参数，基于更新后的模型预测控制模型输出无稳态误差的控制量，实现变换器的运行控制。
一个或多个实施例提供了一种基于模型预测控制的DAB变换器控制系统，包括：
影响参数确定模块：被配置为基于变换器的模型预测控制模型，获得引起稳态误差的影响参数；
影响参数数值辨识模块：被配置为获取变换器的运行数据，采用参数辨识递归运算方法辨识影响参数；
控制模块：被配置为根据获得的影响参数的辨识结果，实时更新变换器模型预测控制模型的参数，基于更新后的模型预测控制模型输出无稳态误差的控制量，实现变换器的运行控制。
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，完成上述方法所述的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开的方法保留DAB变换器预测控制暂态性能优良等优点，并解决了预测控制对模型参数过度依赖的问题，且可移植性强,不需要增加任何传感器，能够移植入大多数DAB预测控制系统中，解决了DAB变换器模型预测控制的稳态误差问题。
本公开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，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。
图1是本公开实施例1的方法流程图；
图2是本公开实施例1的单模块DAB变换器拓扑结构；
图3是本公开实施例1的DAB变换器开关管控制信号波形；
图4是本公开实施例1的DAB变换器单机恒压模型预测控制框图；
图5是本公开实施例1的输入并联输出并联(IPOP)式DAB变换器拓扑结构；
图6是本公开实施例1的IPOP式DAB变换器多机均功率模型预测控制框图；
图7是本公开实施例1的带有电感参数辨识的DAB变换器单机恒压模型预测控制框图；
图8是本公开实施例1的带有电感参数辨识的IPOP式DAB变换器多机均功率模型预测控制框图。
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，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
实施例1
在一个或多个实施方式公开的技术方案中，如图1-8所示，一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，包括如下步骤：
步骤1、基于变换器的模型预测控制模型，分析获得引起稳态误差的影响参数；
步骤2、获取变换器的运行数据，采用参数辨识递归运算方法辨识影响参数；
步骤3、根据获得的影响参数的辨识结果，实时更新变换器模型预测控制模型的参数，基于更新后的模型预测控制模型输出无稳态误差的控制量，实现变换器的运行控制。
本实施例中，能够保留变换器基于模型预测控制的暂态性能优良的优点，根据辨识的参数实时更新变换器模型预测控制模型的参数，解决了预测控制对模型参数过度依赖的缺陷，能够有效消除模型预测控制中稳态误差，且可移植性强，不需要增加任何传感器，能够移植入大多数DAB变换器预测控制系统中。
步骤3中，对于DAB变换器，控制量是指DAB变换器的一次侧全桥和二次侧全桥上开关管控制信号之间的相位差。
进一步的技术方案，对于DAB变换器，引起模型预测控制稳态误差的主要影响参数为功率传输电感。
下面以DAB变换器的模型预测控制原理，分析引起稳态误差的主要因素。
对DAB变换器单机恒压模型预测控制进行分析，确定变换器的模型预测控制模型的方法，包括如下步骤：
步骤11、根据变换器的拓扑结构，得到二次侧输出电流关系，并利用二次侧支撑电容的电流与电压关系，使用前向欧拉法离散化，确定变换器的输出电压离散化模型；
步骤12、根据变换器的输出电压离散化模型，采用单重移相调制，确定传输功率与变换器移相控制量的关系，变换得到变换器输出电压预测模型；
步骤13、以使得输出电压稳定在给定参考电压范围内为目标，获得变换器的控制量。
如图2所示，给出了DAB变换器单模块的拓扑结构，其输出侧电流关系为：
IC＝I2-Io(1)
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为变换器输出电流。
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的电流与电压关系，使用前向欧拉法将IC离散化，可将公式(1)化为：
Figure BDA0003408190370000061
其中，C为二次侧支撑电容的电容值；Ths为半开关周期；Uout为输出电压；k代表时间；P为传输功率。
可选的，采用单重移相调制，确定传输功率与DAB变换器移相控制量D的关系，并带入公式(2)中，可得：
Figure BDA0003408190370000062
其中，Uin为输入电压；L为功率传输电感的电感值；fs为DAB变换器开关频率；n为全桥之间变压器的变比；控制量D是指DAB变换器的一次侧全桥和二次侧全桥上开关管控制信号之间的相位差。
对公式(3)进行变换可获得输出电压预测模型，如下：
Figure BDA0003408190370000063
其中，取代价函数J：
Figure BDA0003408190370000064
其中，
Figure BDA0003408190370000065
为输出参考电压。
稳态时，使代价函数J为零，即可控制输出电压稳定在给定参考电压值。
联立式(4)、(5)可计算得J最小时控制量D的表达式：
Figure BDA0003408190370000071
其中：
Figure BDA0003408190370000072
上述公式(6)和(7)即为模型预测控制下控制量的计算表达式，即为模型预测控制模型。
脉宽调制器根据移相控制量D进行相移脉宽调制，得到四个占空比为50％的矩形波信号，分别输入给图1中的八个开关管，实现一个工作周期的控制。
参照图2，两个全桥结构内部同一桥臂的两开关管控制信号互补(如S1与S2)，互为对角的两开关管控制信号相同(如S1与S4)；两全桥之间对应位置的开关管控制信号之间有DThs的相位差(如S1与S5)。开关管控制信号波形如图3所示。
上述即为DAB变换器单机恒压模型预测控制的计算和控制原理。其控制框图如图4所示。
如图5所示为多机拓扑结构，需要将总的输出电流值均分(除以变换器数量)作为平均输出电流Io_av代替式(7)中的输出电流Io输入给各变换器的模型预测控制器中，以实现多机之间的均功率分配。其控制框图如图6所示。
模型器件参数不准，将会导致模型预测控制从控制原理上出现误差，此处可将模型参数误差分为两类：一类是DAB变换器中各器件上的寄生参数，会消耗部分功率，影响式(2)中传输功率的值，使得从式(2)至式(3)的转化并不准确，进而引起所计算控制量D存在误差；另一类是模型预测控制下控制量的表达式即式(6)、(7)中存在的器件参数，包括输出侧支撑电容C和功率传输电感L，其误差可直接影响控制量的计算结果。
器件寄生参数损失功率所带来的误差，远小于与控制器算法直接相关的器件参数带来的误差。此处为了消除主要稳态误差，主要分析上述第二类误差：
分析式(7)，稳态时，1-4α≥0，α的值直接影响控制精度。稳态时
Figure BDA0003408190370000081
与Uout(k)之差很小，电容C的数量级通常为10-6，输出电流Io通常为数安至数百安。而针对半周期Ths，即使在工作频率为上百kHz的高频工况下，其值也仅为10-5数量级，因而在式(7)中，2LThsIo(k)的值远大于
Figure BDA0003408190370000082
所以支撑电容C带来的误差远小于功率传输电感L带来的误差，可以忽略。
模型预测控制的控制精度依赖于系统预测模型的准确度，DAB变换器中，功率传输电感L是由DAB串联电感和高频变压器的漏感组成，易受温度、气隙、开关频率等多种因素影响，其参数很容易产生变化，导致系统模型不准。进而使得DAB变换器的稳态输出及多机运行时各机功率分配出现误差，降低变换器的运行可靠性及寿命。
综上所述，由于模型参数不准所导致的DAB变换器预测控制稳态误差的主要来源是功率传输电感L的误差。进一步，通过计算可得在功率传输电感L存在误差时，系统状态的误差：
Figure BDA0003408190370000083
Figure BDA0003408190370000084
式(8)为单机恒压预测控制中，电感存在误差时，输出电压的表达式，其中L为变换器实际的电感值，L'为预测控制器中使用的模型值。式(9)为多机均功率预测控制中(此处以N个变换器运行为例)，电感存在误差时，第j个DAB变换器的传输功率值，其中Li为第i个变换器实际的电感值，Li'为第i个变换器的预测控制器中使用的模型值，P为总传输功率。
根据式(8)、(9)可确定：功率传输电感L的模型参数与实际值的误差将对稳态输出电压和各机的功率均衡造成较大影响。
步骤2中，可选的，可以采用递归最小二乘法(Recursive Least Squares,RLS)对影响参数进行辨识。
RLS的算法过程如下：
如果系统某些参数满足如下方程：
Ax＝b(10)
上式中，行向量x为待辨识的若干参数，列向量A和b代表系统所采集或计算的各项数据。每个周期，系统均会获取相关数据，对向量x即待求参数进行一次递归计算，不断更新其值，从而实现对待求参数的实时辨识。具体递归计算式如下：
Figure BDA0003408190370000091
上式中，P为递归计算的中间矩阵；k代表运行的时刻；λ为遗忘因子(0≤λ≤1)，代表旧数据对参数辨识的重要性，λ越小说明旧数据对参数辨识的影响越小。待求参数x与向量P的初值可根据下式计算：
Figure BDA0003408190370000101
可选的，采用RLS算法对影响参数进行辨识的方法，包括如下步骤：
步骤21、初始化功率传输电感为变换器功率传输电感的标称值；
实际工程应用中，通常知道功率传输电感的标称值，虽然该值会存在误差，本实施例中，将其作为上述参数辨识递归运算中的初值，可以提高辨识速度。
步骤22、根据变换器的输入输出关系，将功率传输电感作为待求参数，确定递归计算式；
步骤23、获取变换器的输出电流Io和输入电压Uin，递归计算获得功率传输电感值。
递归计算式的确定方法如下：
单重移相调制下，DAB变换器平均传输功率有如下公式：
Figure BDA0003408190370000102
稳态时有：
Figure BDA0003408190370000103
上式中，Uin为输入电压，Uout为输出电压，Io为输出电流，L为功率传输电感的电感值，fs为DAB变换器工作频率，n为全桥之间变压器的变比，控制量D是指DAB变换器的一次侧全桥和二次侧全桥上开关管控制信号之间的相位差。
将式(14)进行化简整理，功率传输电感L作为待求参数，可将其转化为式(10)的形式：
Figure BDA0003408190370000111
进一步可以写出递归计算式：
Figure BDA0003408190370000112
其中：
Figure BDA0003408190370000113
通过式(16)、(17)可知，针对功率传输电感L参数辨识所需采样的数据仅有输出电流Io和输入电压Uin。可见经过处理后，DAB变换器模型预测控制所需采样的数据即可满足RLS参数辨识的需求，所以无需增加传感器，节省了成本。
对于DAB变换器，单机恒压预测控制中，基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，如图7所示控制框图，包括如下步骤：
步骤S11：设置功率传输电感L的初值及目标输出电压
Figure BDA0003408190370000114
功率传输电感L的初值可以为器件标称值。
步骤S12：传感器通过采样获取变换器的运行状态量，包括变换器的输入电压Uin、输出电压Uout和输出电流Io；
步骤S13：将获取的输入电压Uin、输出电压Uout、输出电流Io和设置的目标输出电压
Figure BDA0003408190370000115
输入给模型预测控制器(MPC)；将输入电压Uin、输出电流Io输入给RLS参数辨识模块；
步骤S14：模型预测控制器根据上个工作周期辨识获得的功率传输电感值L(若为初始周期则使用设置的电感初值)，更新预测控制模型；并根据步骤S13获取的Uin、Uout、Io和
Figure BDA0003408190370000121
按照式(6)、(7)计算相移控制量D；
步骤S15：将步骤S14中计算的移相控制量D分别输入至脉宽调制器和RLS参数辨识模块。
步骤S16：RLS参数辨识模块根据步骤S13获取的Uin、Io以及步骤S15获取的移相控制量D，按照式(16)、(17)计算辨识功率传输电感值L；并将其输出至模型预测控制器，以供模型预测控制器在下一工作周期及时更新预测控制模型；
步骤S17：脉宽调制器根据步骤S15获得的移相控制量D进行移相调制，得到四个占空比为50％的矩形波信号，分别输入给图2中的八个开关管，实现一个工作周期的控制。具体如下：参照图2，两个全桥结构内部同一桥臂的两开关管控制信号互补(如S1与S2)，互为对角的两开关管控制信号相同(如S1与S4)；两全桥之间对应位置的开关管控制信号之间有DThs的相位差(如S1与S5)。开关管控制信号波形如图3所示。
循环上述步骤，即可实现带有电感参数辨识的DAB变换器单机恒压模型预测控制，在保留预测控制原有优势的基础上极大地减小输出电压的稳态误差。
对于DAB变换器，多机均功率预测控制中，基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，如图8所示控制框图，包括如下步骤：
步骤S21：设置各功率传输电感Li的初值(通常为器件标称值)及目标输出电压
Figure BDA0003408190370000122
步骤S22：获取变换器的运行状态量，并计算输出电流平均值，具体过程如下：
传感器对系统输入电压Uin、输出电压Uout、各子DAB变换器的输出电流Ioi(i＝1，2，3……N)进行采样，计算单模块DAB变换器输出电流的平均值为:
Io_av＝Io/N
其中，Io为各子DAB变换器输出电流之和，N代表子DAB变换器的数量。
步骤S23：将步骤S22中获得的输入电压Uin、输出电压Uout、输出电流平均值Io_av和步骤S21中设置的目标输出电压
Figure BDA0003408190370000131
输入给各子DAB变换器的模型预测控制器；将输入电压Uin、各子DAB变换器的输出电流Ioi输入给各相应子模块的RLS参数辨识模块；
步骤S24：各模型预测控制器根据上个工作周期辨识的功率传输电感值Li，更新预测控制模型，并计算对应子DAB变换器的相移控制量Di，具体过程如下：
将上一个工作周期各RLS参数辨识模块辨识的对应子DAB变换器的功率传输电感值Li，输入至对应模块的模型预测控制器(若为初始周期，则Li使用设置的电感初值)；
各模型预测控制器按照式(6)、(7)，根据步骤S23获取的Uin、Uout、Io_av计算对应模块的相移控制量Di。
步骤S25：将步骤S24中计算的移相控制量Di分别输入至对应模块的脉宽调制器和RLS参数辨识模块。
步骤S26：各RLS参数辨识模块根据步骤S23获取的Uin、Io以及步骤S25获取的移相控制量Di，按照式(16)、(17)计算辨识该模块的功率传输电感值Li；并将其输出至对应的模型预测控制器，以供模型预测控制器在下一工作周期及时更新预测控制模型；
步骤S27：各脉宽调制器根据获取的移相控制量Di进行移相调制。具体过程与单机恒压预测控制的步骤S17相一致。
循环上述步骤，即可实现带有电感参数辨识的DAB变换器多机均功率预测控制，在保留预测控制原有优势的基础上极大地减小输出电压的稳态误差，同时减小各子模块功率均分的误差。
本实施例针对功率传输电感的值进行参数辨识，实时纠正模型预测控制器的参数，可以大大降低DAB变换器模型预测控制的稳态误差。
实施例2
基于实施例1，本实施例提供一种基于模型预测控制的DAB变换器控制系统，包括：
影响参数确定模块：被配置为基于变换器的模型预测控制模型，获得引起稳态误差的影响参数；
影响参数数值辨识模块：被配置为获取变换器的运行数据，采用参数辨识递归运算方法辨识影响参数；
控制模块：被配置为根据获得的影响参数的辨识结果，实时更新变换器模型预测控制模型的参数，基于更新后的模型预测控制模型输出无稳态误差的控制量，实现变换器的运行控制。
实施例3
本实施例提供一种电子设备，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的方法所述的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，其特征是，包括如下步骤：
基于变换器的模型预测控制模型，获得引起稳态误差的影响参数；
获取变换器的运行数据，采用参数辨识递归运算方法辨识影响参数；
根据获得的影响参数的辨识结果，实时更新变换器模型预测控制模型的参数，基于更新后的模型预测控制模型输出无稳态误差的控制量，实现变换器的运行控制。
2.如权利要求1所述的一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，其特征是：对于DAB变换器，控制量是指DAB变换器的一次侧全桥和二次侧全桥上开关管控制信号之间的相位差。
3.如权利要求1所述的一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，其特征是：对于DAB变换器，引起模型预测控制稳态误差的主要影响参数为功率传输电感。
4.如权利要求1所述的一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，其特征是：变换器的模型预测控制模型的确定方法，包括如下步骤：
根据变换器的拓扑结构，利用二次侧支撑电容的电流与电压关系，使用前向欧拉法离散化，确定变换器的输出电压离散化模型；
根据变换器的输出电压离散化模型，采用单重移相调制，确定传输功率与变换器移相控制量的关系，变换得到变换器输出电压预测模型；
以使得输出电压恒定在给定参考电压范围内为目标，获得变换器的控制量。
5.如权利要求1所述的一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，其特征是：采用递归最小二乘法对影响参数进行辨识。
6.如权利要求5所述的一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，其特征是：对DAB变换器采用递归最小二乘法对功率传输电感进行辨识的方法，包括如下步骤：
初始化功率传输电感为变换器功率传输电感的标称值；
根据变换器的输入输出关系，将功率传输电感作为待求参数，确定递归计算式；
获取变换器的输出电流和输入电压，递归计算实时更新功率传输电感值。
7.如权利要求1所述的一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，其特征是：对于DAB变换器单机恒压预测控制中，基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，包括如下步骤：
设置目标输出电压；
获取变换器的运行数据；
根据获取变换器的运行数据采用参数辨识递归运算方法实时辨识变换器功率传输电感；
根据辨识获得的功率传输电感值，实时更新模型预测控制模型，根据控制模型输出变换器的控制量。
8.如权利要求1所述的一种基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，其特征是：多机均功率预测控制中，基于模型预测控制的DAB变换器控制方法，包括如下步骤：
设置目标输出电压，获取变换器的运行数据，并计算输出电流平均值；
基于获取的变换器的运行数据以及计算的输出电流平均值，采用参数辨识递归运算方法进行参数辨识，获得各模块变换器功率传输电感；
根据辨识获得的功率传输电感值，更新模型预测控制模型，根据控制模型输出变换器的控制量。
9.一种基于模型预测控制的DAB变换器控制系统，其特征是，包括：
影响参数确定模块：被配置为基于变换器的模型预测控制模型，获得引起稳态误差的影响参数；
影响参数数值辨识模块：被配置为获取变换器的运行数据，采用参数辨识递归运算方法辨识影响参数；
控制模块：被配置为根据获得的影响参数的辨识结果，实时更新变换器模型预测控制模型的参数，基于更新后的模型预测控制模型输出无稳态误差的控制量，实现变换器的运行控制。
10.一种电子设备，其特征是，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1-8任一项方法所述的步骤。
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