CN115800766B - 基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法及装置，包括：基于DAB变换器的拓扑结构建立DAB转换器的动态模型，基于动态模型采用统一相移调制方案推导出DAB变换器的GAM模型；忽略快速时间模型后对GAM模型进行推导变换，得到简化DAB模型，并对简化DAB模型进行变换，得到采用统一相移调制方案的DAB变换器的MRAC的参考模型；在参考模型中引入误差跟踪模块，构建含有误差跟踪模块的IMRAC控制策略；基于IMRAC控制策略的控制框图，确定DAB转换器的参考模型定义，对参考模型定义进行变换，得到IMRAC的误差系统，对DAB变换器进行控制。解决了现有技术动态性能和稳定性较差的问题。

Description

基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法及装置

技术领域

本申请涉及双有源桥变换器控制技术领域，尤其涉及一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法及装置。

背景技术

自1990年双有源桥(DAB)变换器提出以来，DAB因其功率密度高、功率双向流动等优点，常用于分布式发电系统、固态变压器和储能系统中。近年来，针对DAB重要性能改进的文章越来越多，得益于DAB广阔的应用前景。单相移(SPS)的双有源桥变换器在输入输出电压相差较大时性能较差。因此，仅通过一个控制变量很难对效率进行优化，故为了提高效率，在DAB中采用多维度的调制方案。其中采用双相移(DPS)方案可消除无功功率；三相移(TPS)方案最小化了电流应力；五自由度(FDF)调制方案实现了多维移相比的大范围优化。DAB变换器的另一个重要性能是当参考电压或负载发生变化时的动态性能和稳定性能。为了解决这个重要问题，现有技术中提出了基于负载电流前馈策略、电感电流前馈方案和基于功率的控制方法。此外，目前先进的控制技术，包括模型预测控制(MPC)、智能控制、基于无源控制(PBC)等，都可以显著提高DAB变换器的动态性能和稳定性能。

其中，模型参考自适应控制(MRAC)是一种有效的自适应控制方法。基于系统的渐近稳定性推导了MRAC的控制律，得出MRAC既能抑制系统不确定性对控制性能的不利影响，又能增强系统的鲁棒性。但是该方法的动态性能由于仅依靠参考模型的输出模型误差进行动态性能的提高，收敛速度较慢。

发明内容

本申请提供了一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法及装置，用于解决现有技术动态性能和稳定性较差的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法，所述方法包括：

基于DAB变换器的拓扑结构建立DAB转换器的动态模型，基于所述动态模型采用统一相移调制方案推导出DAB变换器的GAM模型；

忽略快速时间模型后对所述GAM模型进行推导变换，得到简化DAB模型，并对所述简化DAB模型进行变换，得到采用统一相移调制方案的DAB变换器的MRAC的参考模型；

在所述参考模型中引入误差跟踪模块，构建含有误差跟踪模块的IMRAC控制策略；

基于所述IMRAC控制策略的控制框图，确定DAB转换器的参考模型定义，对所述参考模型定义进行变换，得到IMRAC的误差系统，用于对DAB变换器进行控制。

可选地，所述动态模型为：

；

其中，；

式中， i _L 为电感 L的电流； v _c 为电容 C _o 的电压； q ₁和 q ₂分别为变压器一侧和二次侧的开关序列； R _o 、 R、 R _t 和 R _c 为DAB变换器的拓扑结构中的电阻； U _in 和 U _o 分别为变换器的拓扑结构的输入电压和输出电压。

可选地，所述参考模型为：；

其中，；

式中，控制变量 u为 u ₁、 u ₂、 u ₃的代数表达式， C为系数， d ₁、 d ₂和 d ₃分别为 S ₁与 S ₃、 S ₁与 S ₅、 S ₁与 S ₇的相移比， S为统一相移调制方案下DAB变换器的波形， x为变量。

可选地，所述MRAC控制策略的状态响应为：

；

其中，；

式中， C _m 为误差反馈系数， k ₁、 k ₂分别为开关序列 q ₁和 q ₂的实部和虚部的直流项； t为时间。

本申请第二方面提供一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制系统，所述系统包括：

第一建立单元，用于基于DAB变换器的拓扑结构建立DAB转换器的动态模型，基于所述动态模型采用统一相移调制方案推导出DAB变换器的GAM模型；

第二构建单元，用于忽略快速时间模型后对所述GAM模型进行推导变换，得到简化DAB模型，并对所述简化DAB模型进行变换，得到采用统一相移调制方案的DAB变换器的MRAC的参考模型；

第三构建单元，用于在所述参考模型中引入误差跟踪模块，构建含有误差跟踪模块的IMRAC控制策略；

控制单元，用于基于所述IMRAC控制策略的控制框图，确定DAB转换器的参考模型定义，对所述参考模型定义进行变换，得到IMRAC的误差系统，用于对DAB变换器进行控制。

可选地，所述动态模型为：

；

其中，；

式中， i _L 为电感 L的电流； v _c 为电容 C _o 的电压； q ₁和 q ₂分别为变压器一侧和二次侧的开关序列； R _o 、 R、 R _t 和 R _c 为DAB变换器的拓扑结构中的电阻； U _in 和 U _o 分别为变换器的拓扑结构的输入电压和输出电压。

可选地，所述参考模型为：；

其中，；

式中，控制变量 u为 u ₁、 u ₂、 u ₃的代数表达式， C为系数， d ₁、 d ₂和 d ₃分别为 S ₁与 S ₃、 S ₁与 S ₅、 S ₁与 S ₇的相移比， S为统一相移调制方案下DAB变换器的波形， x为变量。

可选地，所述MRAC控制策略的状态响应为：

；

其中，；

式中， C _m 为误差反馈系数， k ₁、 k ₂分别为开关序列 q ₁和 q ₂的实部和虚部的直流项； t为时间。

本申请第三方面提供一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令，执行如上述第一方面所述的基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法的步骤。

本申请第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行上述第一方面所述的基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请提供了一种双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法，合理地与DAB变换器结合，实现其动态性能的提高，同时可以保证系统强的鲁棒性，更适合于目前DAB变换器复杂多变的应用场合；进一步地，利用状态反馈的方式进一步优化了DAB变换器的性能，增强了DAB系统跟踪误差的能力，且不会引起DAB系统的高频振荡，进一步提高了系统的性能。

附图说明

图1为本申请实施例中提供的一种双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法实施例的流程示意图；

图2为本申请实施例中提供的一种DAB变换器的拓扑结构图；

图3为本申请实施例中提供的一种UPS方案下DAB变换器的主要波形示意图；

图4为本申请实施例中提供的一种IMRAC的控制框图；

图5为本申请实施例中提供的一种双有源桥变换器的模型参考自适应控制系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

请参阅图1，本申请实施例中提供的一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法，包括：

步骤101、基于DAB变换器的拓扑结构建立DAB转换器的动态模型，基于动态模型采用统一相移调制方案推导出DAB变换器的GAM模型；

需要说明的是，DAB变换器的拓扑结构如图2所示；

1）采用UPS方案的DAB转换器在一个开关周期内的主要波形如图3所示。本文主要考虑TPS对MRAC建模的影响，忽略了各相移比之间的关系。 d ₁、 d ₂和 d ₃分别为 S ₁与 S ₃、 S ₁与 S ₅、 S ₁与 S ₇的相移比。 T _s 表示开关周期。

在DAB变换器的建模过程中，设状态变量为 x( t)=[ i _L , v _c ]T，其中 i _L 为电感 L的电流， v _c 为电容 C _o 的电压， q ₁和 q ₂分别为变压器一侧和二次侧的开关序列。由此得DAB转换器的动态模型为：

(1)

(2)

在式(3)中可以得到变压器一次侧和二次侧的电压。在(4)和(5)中可以给出一个周期的开关序列 q ₁和 q ₂。

(3)

(4)

(5)

2）采用UPS方案的DAB变换器的GAM模型：

GAM策略利用状态变量傅立叶级数中的开关频率项来提取纯交流量对DAB变换器动态的影响。GAM的基本计算模型可以推导出变量 x，如下式(6)、(7)、(8)、(9)：

(6)

(7)

(8)

(9)

其中 ω _s =2π f _s , f _s 为开关频率。

根据UPS方案GAM的计算模型，开关序列 q ₁和 q ₂的实部和虚部的直流项( k=0)和一阶分量( k=±1)如表Ⅰ所示。表中展示两种方案傅立叶分量，一种基于SPS，另一种基于TPS。由于SPS是TPS的一个子集，假设 d ₁=0, d ₂= d ₃，可以发现TPS的傅里叶分量等于SPS的傅里叶分量。因此，推导结果是正确的。

表一 开关序列的傅立叶系数

应用KCL和KVL后，DAB变换器的微分方程为

(10)

其中假设(11)

(12)

通过推导，基于UPS方案的DAB转换器的GAM模型如式(13)所示：

(13)

步骤102、忽略快速时间模型后对GAM模型进行推导变换，得到简化DAB模型，并对简化DAB模型进行变换，得到采用统一相移调制方案的DAB变换器的MRAC的参考模型；

需要说明的是，采用UPS方案的DAB变换器的MRAC模型：

由步骤101中的2）点可知，所建立的DAB系统GAM模型是三阶的，具有两种时间维度。如果忽略快速时间模型，则可推导出式(14)的简化DAB模型。

(14)

其中(15)

一般系统中 ω _L >> R _o ，所以可以假设 γ为π/2。然后，可得到采用UPS方案的DAB变换器的MRAC模型为

(16)

其中(17)

根据DAB变换器的降阶模型为一阶模型，控制 u为 u ₁、 u ₂、 u ₃的代数表达式。因此，在分析系统性能时，需要考虑各相移比之间的关系，这一过程十分复杂。为了方便地分析所提出的IMRAC策略与传统控制方法的动态性能，假设采用UPS方案的DAB转换器的MRAC模型中 d ₁=0, d ₂= d ₃。为了提高系统响应的动态性能，需要提高系统误差的收敛速度，因此在MRAC的参考模型中引入了误差跟踪模块，具体见步骤103。

步骤103、在参考模型中引入误差跟踪模块，构建含有误差跟踪模块的IMRAC控制策略；

需要说明的是，为了提高系统的收敛速度，在式(18)的参考模型中引入了系统的跟踪误差。

(18)

其中Cm为误差反馈系数。则新系统的状态响应为式(19)，

(19)

若假设(20)

则新系统的状态响应变为式(21)，从而提高了系统的收敛速度。

(21)

步骤104、基于IMRAC控制策略的控制框图，确定DAB转换器的参考模型定义，对参考模型定义进行变换，得到IMRAC的误差系统，用于对DAB变换器进行控制。

需要说明的是，IMRAC控制策略的实现：

IMRAC的控制框图如图4所示：

DAB转换器的参考模型定义为式

(22)

其中的 a _m , b _m 和 c _m 为正数。控制律以式(23)的状态反馈形式得到：

(23)

上式中参数 a _r ( t)和 a _x ( t)的自适应律为

(24)

其中 e _m = x( t)- y· m( t)， α为正数。

IMRAC的误差系统为：

(25)

(26)

李亚普诺夫能量函数定义为：

(27)

通过对下式(28)的简单推导，可以证明Lyapunov能量函数是负定的。

(28)

因此，IMRAC不仅可以实现DAB变换器在控制过程中的全局渐近稳定，而且可以通过在参考模型中加入模型误差 e _m 来快速跟踪参考，从而提高系统的动态性能。

本实施例提供的一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法，1)在模型参考自适应控制策略(MRAC)的参考模型中加入系统跟踪误差，既能实现DAB变换器在控制过程中的全局渐近稳定，又能提高系统误差的收敛速度。2)提出的IMRAC策略不仅保证了系统的全局稳定性，而且提高了DAB转换器的动态性能。3)同时根据DAB变换器广义平均模型推导了基于统一调制策略下的广义平均降阶模型，并给出相关表达式，将在未来的DAB变换器控制策略中广泛采用。

以上为本申请实施例中提供的一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法，以下为本申请实施例中提供的一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制系统。

请参阅图5，本申请实施例中提供的一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制系统，包括：

第一建立单元201，用于基于DAB变换器的拓扑结构建立DAB转换器的动态模型，基于动态模型采用统一相移调制方案推导出DAB变换器的GAM模型；

第二构建单元202，用于忽略快速时间模型后对GAM模型进行推导变换，得到简化DAB模型，并对简化DAB模型进行变换，得到采用统一相移调制方案的DAB变换器的MRAC的参考模型；

第三构建单元203，用于在参考模型中引入误差跟踪模块，构建含有误差跟踪模块的IMRAC控制策略；

控制单元204，用于基于IMRAC控制策略的控制框图，确定DAB转换器的参考模型定义，对参考模型定义进行变换，得到IMRAC的误差系统，用于对DAB变换器进行控制。

进一步地，本申请实施例中还提供了一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令，执行如上述方法实施例所述的基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法的步骤。

进一步地，本申请实施例中还提供了计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行上述方法实施例所述的基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法。

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，上述描述的系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个（项）”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元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，本申请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全部或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）执行本申请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（英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM）、随机存取存储器（英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法，其特征在于，包括：

基于DAB变换器的拓扑结构建立DAB转换器的动态模型，基于所述动态模型采用统一相移调制方案推导出DAB变换器的GAM模型；

忽略快速时间模型后对所述GAM模型进行推导变换，得到简化DAB模型，并对所述简化DAB模型进行变换，得到采用统一相移调制方案的DAB变换器的MRAC的参考模型；

在所述参考模型中引入误差跟踪模块，构建含有误差跟踪模块的IMRAC控制策略；

基于所述IMRAC控制策略的控制框图，确定DAB转换器的参考模型定义，对所述参考模型定义进行变换，得到IMRAC的误差系统，用于对DAB变换器进行控制；

所述动态模型为：

；

其中，；

式中，i _L 为电感L的电流；v _c 为电容C _o 的电压；q ₁和q ₂分别为变压器一侧和二次侧的开关序列；R _o 、R、R _t 和R _c 为DAB变换器的拓扑结构中的电阻；U _in 和U _o 分别为变换器的拓扑结构的输入电压和输出电压；

所述参考模型为：

；

其中，；

式中，控制变量u为u ₁、u ₂、u ₃的代数表达式，C为系数，d ₁、d ₂和d ₃分别为S ₁与S ₃、S ₁与S ₅、S ₁与S ₇的相移比，S为统一相移调制方案下DAB变换器的波形，x为变量；

所述参考模型定义为：

；

式中，a _m 、b _m 和c _m 分别为参考模型的系统矩阵、输入矩阵和误差反馈系数矩阵，且都为正数，y _m为系统的输出，r是参考模型的给定，e为系统的输出误差；

所述IMRAC的误差系统为：

；

其中，；

式中，a _r 、a _x 均为反馈参数，a _p 为系统的自身参数，g为系统的增益系数。

2.根据权利要求1所述的基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法，其特征在于，所述MRAC控制策略的状态响应为：

；

其中，

式中，C _m 为误差反馈系数，k ₁、k ₂分别为开关序列q ₁和q ₂的实部和虚部的直流项；t为时间；为参考模型的状态转移矩阵；为存在任意数满足乘以 ；为积分因子。

3.一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制系统，其特征在于，包括：

第一建立单元，用于基于DAB变换器的拓扑结构建立DAB转换器的动态模型，基于所述动态模型采用统一相移调制方案推导出DAB变换器的GAM模型；

第二构建单元，用于忽略快速时间模型后对所述GAM模型进行推导变换，得到简化DAB模型，并对所述简化DAB模型进行变换，得到采用统一相移调制方案的DAB变换器的MRAC的参考模型；

第三构建单元，用于在所述参考模型中引入误差跟踪模块，构建含有误差跟踪模块的IMRAC控制策略；

控制单元，用于基于所述IMRAC控制策略的控制框图，确定DAB转换器的参考模型定义，对所述参考模型定义进行变换，得到IMRAC的误差系统，用于对DAB变换器进行控制；

所述动态模型为：

；

其中，；

式中，i _L 为电感L的电流；v _c 为电容C _o 的电压；q ₁和q ₂分别为变压器一侧和二次侧的开关序列；R _o 、R、R _t 和R _c 为DAB变换器的拓扑结构中的电阻；U _in 和U _o 分别为变换器的拓扑结构的输入电压和输出电压；

所述参考模型为：

；

其中，；

式中，控制变量u为u ₁、u ₂、u ₃的代数表达式，C为系数，d ₁、d ₂和d ₃分别为S ₁与S ₃、S ₁与S ₅、S ₁与S ₇的相移比，S为统一相移调制方案下DAB变换器的波形，x为变量；

所述参考模型定义为：

；

式中，a _m 、b _m 和c _m 分别为参考模型的系统矩阵、输入矩阵和误差反馈系数矩阵，且都为正数，y _m为系统的输出，r是参考模型的给定，e为系统的输出误差；

所述IMRAC的误差系统为：

；

其中，；

式中，a _r 、a _x 均为反馈参数，a _p 为系统的自身参数，g为系统的增益系数。

4.根据权利要求3所述的基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制系统，其特征在于，所述MRAC控制策略的状态响应为：

；

其中，

式中，C _m 为误差反馈系数，k ₁、k ₂分别为开关序列q ₁和q ₂的实部和虚部的直流项；t为时间；为参考模型的状态转移矩阵；为存在任意数满足乘以 ；为积分因子。

5.一种基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-2任一项所述的基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-2任一项所述的基于双有源桥变换器的模型参考自适应控制方法。

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