CN115864854A - 输入串联输出串联型dab变换器模型预测控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于DAB变换器模型预测控制技术领域，具体公开了一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法及系统，方法包括：构建基于各个子DAB变换器的移相控制量的输出侧电压电流关系式；使用前向欧拉法在一个工作周期内对关系式进行离散，得到输出电压的预测表达式；考虑变换器的稳定均功率条件，设计得到代价函数；最小化代价函数，分别得到各子DAB变换器的最优相移控制量；根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到各开关管的控制信号，从而控制各个子DAB变换器的功率均衡以及整体输出电压追踪目标值。本发明实现了对ISOS型DAB变换器稳定的功率均衡控制，使得算法的复杂度大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及DAB变换器模型预测控制技术领域，尤其涉及一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，直流微网技术快速发展，对以双有源全桥（DAB）变换器为代表的双向隔离型直流变换器提出了更高要求。随着电压等级的提升，变换器承受的电气及热应力大大增加，这使得相关功率器件的性能要求变得极为苛刻，增加了设计难度及成本，单一模块的变换器已难以满足设计需求。而由多个DAB变换器在两端直流侧串联而成的输入串联输出串联（ISOS）型DAB变换器能够有效降低单一模块的电压应力，是应对高压场合的有效方案。
在ISOS型DAB变换器的控制中，各子DAB模块的电路参数由于出厂公差或运行时的参数漂移，会出现不同子模块间的不对称，进而会引起传输功率的不平衡问题。若不对功率偏置及时校正，则会使得部分子模块受到的电气应力及热应力增大，降低运行可靠性及使用寿命，甚至产生安全事故；因此需要解决其功率均衡的问题。
然而，现有技术对ISOS型DAB变换器的控制大多基于PI控制器，这种控制方式下系统的暂态性能相对较差，且随着模块数量的增加，PI环的数量随之增多，进而使得控制算法的设计复杂度大大增加。并且现有技术中各子模块的控制算法大多相互耦合，使得现有控制方法在变换器数量变化时的可拓展性较差，自由度较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法及系统，采用模型预测控制（MPC）方法对ISOS型DAB变换器进行控制，实现了稳定的功率均衡控制，具有较好的暂态性能，同时使得算法的复杂度大大降低，可拓展性与自由度增强。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法，其特征在于，包括：
各个子DAB变换器的模型预测控制器分别获取各自的子DAB变换器的输入电压、输出电流、输出电压和目标输出电压；
构建基于各个子DAB变换器的移相控制量的输出侧电压电流关系式；
使用前向欧拉法在一个工作周期内对所述关系式进行离散，得到输出电压的预测表达式；基于所述预测表达式，并考虑ISOS型DAB变换器的稳定均功率条件，设计得到代价函数；最小化所述代价函数，分别得到各子DAB变换器的最优相移控制量；根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到各开关管的控制信号，从而控制各个子DAB变换器的功率均衡以及整体输出电压追踪目标值。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制系统，包括：
数据获取模块，用于使得各个子DAB变换器的模型预测控制器分别获取各自的子DAB变换器的输入电压、输出电流、输出电压和目标输出电压；
输出电压预测模块，用于构建基于各个子DAB变换器的移相控制量的输出侧电压电流关系式；使用前向欧拉法在一个工作周期内对所述关系式进行离散，得到输出电压的预测表达式；
功率均衡及输出控制模块，用于基于所述预测表达式，并考虑ISOS型DAB变换器的稳定均功率条件，设计得到代价函数；最小化所述代价函数，分别得到各子DAB变换器的最优相移控制量；根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到各开关管的控制信号，从而控制各个子DAB变换器的功率均衡以及整体输出电压追踪目标值。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明采用MPC方法对ISOS型DAB变换器进行控制，实现了稳定的功率均衡控制，有效地提升了系统的动态性能，实现了各子模块之间的功率稳定均衡，具有较好的暂态性能，同时使得算法的复杂度大大降低。
（2）本发明构建的代价函数使得控制算法满足ISOS型电路的稳定均功率控制条件，并且各子模块的控制相对独立，增大了系统控制算法的可扩展性及灵活度。
本发明的其他特征和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，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的输入串联输出串联型DAB变换器拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例中的输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法流程图。
具体实施方式
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，本发明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。
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申请的示例性实施方式。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。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法，结合图2，具体包括如下过程：
S101：各个子DAB变换器的模型预测控制器分别获取各自的子DAB变换器的输入电压、输出电流、输出电压和目标输出电压；
具体地，图1给出了ISOS型DAB变换器的拓扑结构，其由N个DAB变换器在输入侧串联，输出侧串联而成。依据基尔霍夫定律，输出侧电压电流关系可表示为：
其中，C oi 为第i个DAB变换器的输出侧支撑电容；V o_i 为第i个DAB变换器的输出电压；I co_i 为第i个DAB变换器二次侧全桥的平均输出电流；I o 为输出电流；P i 为第i个DAB变换器的传输功率。
S102：构建基于各个子DAB变换器的移相控制量的输出侧电压电流关系式；
本实施例中，使用单重移相调制，将各个DAB变换器的传输功率P i 与其移相控制量D i 的关系式带入公式(1)中，可得：
其中，V in_i 为第i个DAB变换器的输入电压；L i 为第i个DAB变换器功率传输电感的电感值；f s 为DAB变换器的工作频率；n为全桥之间变压器的变比；移相控制量D i 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。
S103：使用前向欧拉法在一个工作周期内对所述关系式进行离散，得到输出电压的预测表达式；
本实施例中，使用前向欧拉法在一个工作周期内将(2)进行离散，可得输出电压的预测表达式：
其中，k代表工作时刻，T s 为工作周期；V o (k)为k时刻的输出电压值，V o (k+1)为k+1时刻的输出电压预测值，V o_i (k+1)为k+1时刻第i个子DAB变换器的输出电压值，V in_i (k)为k时刻第i个子DAB变换器的输入电压值，I o (k)为k时刻的输出电流值。
S104：基于预测表达式得到最终的代价函数；
本实施例中，取初始代价函数J：
其中，V o ref 为输出参考电压。通过最小化代价函数，计算求得各个DAB变换器的最优控制量D i 即可控制输出电压恒定在给定参考电压值。不难发现，式（4）是关于N个控制量D i 的函数，因此有充分的自由度实现各模块的功率均衡。
将式（3）带入式（4），可得到第i个DAB变换器代价函数的一种表达式：
但是对于输入串联型的多机变换器，需要解决输入电压正反馈的问题，以实现系统的稳定功率均衡。该过程可通过将式（5）中的V in_i 替换为
（即其余DAB变换器输入电压的平均值）来实现。
修改后，最终的代价函数可表示为：
S105：最小化所述代价函数，分别得到各子DAB变换器的最优相移控制量；
本实施例中，经过数学计算最小化代价函数，可获得正向功率传输时，各DAB变换器最优控制量D i 的表达式：
其中：
S106：根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到各开关管的控制信号，从而控制各个子DAB变换器的功率均衡以及整体输出电压追踪目标值。
本实施例中，对于每个DAB变换器，脉宽调制器根据其移相控制量D i 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中各个DAB模块的八个开关管，实现一个工作周期的控制。通过此方法，即可实现各模块的功率均衡以及快速的动态响应。
循环上述步骤，即可实现对ISOS型DAB变换器的模型预测控制，本实施例方法有效地提升了系统的动态性能，实现了各模块功率的稳定均衡，同时降低了算法的复杂度，增强了算法的可拓展性与自由度。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制系统，具体包括：
数据获取模块，用于使得各个子DAB变换器的模型预测控制器分别获取各自的子DAB变换器的输入电压、输出电流、输出电压和目标输出电压；
输出电压预测模块，用于构建基于各个子DAB变换器的移相控制量的输出侧电压电流关系式；使用前向欧拉法在一个工作周期内对所述关系式进行离散，得到输出电压的预测表达式；
功率均衡及输出控制模块，用于基于所述预测表达式，并考虑ISOS型DAB变换器的稳定均功率条件，设计得到代价函数；最小化所述代价函数，分别得到各子DAB变换器的最优相移控制量；根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到各开关管的控制信号，从而控制各个子DAB变换器的功率均衡以及整体输出电压追踪目标值。
需要说明的是，上述各模块的具体实现方式已经在实施例一中进行了详细的说明，此处不再详述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例四
在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法，其特征在于，包括：
各个子DAB变换器的模型预测控制器分别获取各自的子DAB变换器的输入电压、输出电流、输出电压和目标输出电压；
构建基于各个子DAB变换器的移相控制量的输出侧电压电流关系式；
使用前向欧拉法在一个工作周期内对所述关系式进行离散，得到输出电压的预测表达式；基于所述预测表达式，并考虑ISOS型DAB变换器的稳定均功率条件，设计得到代价函数；最小化所述代价函数，分别得到各子DAB变换器的最优相移控制量；根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到各开关管的控制信号，从而控制各个子DAB变换器的功率均衡以及整体输出电压追踪目标值。
2.如权利要求1所述的一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法，其特征在于，构建基于各个子DAB变换器的移相控制量的输出侧电压电流关系式，具体为：
其中，C oi 为第i个子DAB变换器的输出侧支撑电容； V o_i 为第i个子DAB变换器的输出电压；V in_i 为第i个子DAB变换器的输入电压；n为全桥之间变压器的变比；f s 为DAB变换器的工作频率；L i 为第i个子DAB变换器功率传输电感的电感值；相移控制量D i 是指第i个子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；I o 为输出电流；V o 为输出电压，N为子DAB变换器的个数。
3.如权利要求2所述的一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法，其特征在于，使用前向欧拉法在一个工作周期内对所述关系式进行离散，得到输出电压的预测表达式，具体为：
其中，k代表工作时刻，T s 为工作周期；V o (k)为k时刻的输出电压值，V o (k+1)为k+1时刻的输出电压预测值，V o_i (k+1)为k+1时刻第i个子DAB变换器的输出电压，V in_i (k)为k时刻第i个子DAB变换器的输入电压，I o (k)为k时刻的输出电流值。
4.如权利要求1所述的一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法，其特征在于，将所述预测表达式带入初始代价函数中，并基于ISOS型DAB变换器的稳定均功率条件，将第i个子DAB变换器的输入电压替换为其余各子DAB变换器输入电压的平均值，得到最终的代价函数。
5.如权利要求1所述的一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法，其特征在于，所述代价函数具体为：
其中，V o (k)为k时刻的输出电压值，N为子DAB变换器的个数，n为全桥之间变压器的变比，V in_i (k)为k时刻第i个子DAB变换器的输入电压；T s 为工作周期；L i 为第i个子DAB变换器功率传输电感的电感值；C oi 为第i个子DAB变换器的输出侧支撑电容；D i 为相移控制量，I o (k)为k时刻的输出电流；V o ref 为目标输出电压；V in (k)为总输入电压。
6.如权利要求1所述的一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法，其特征在于，各子DAB变换器的最优相移控制量具体为：
其中，
为中间变量，
7.如权利要求1所述的一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法，其特征在于，对于每个子DAB变换器，脉宽调制器根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到四个占空比为50%的矩形波信号，分别输入给对应子DAB变换器的各个开关管，实现一个工作周期的控制。
8.一种输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于使得各个子DAB变换器的模型预测控制器分别获取各自的子DAB变换器的输入电压、输出电流、输出电压和目标输出电压；
输出电压预测模块，用于构建基于各个子DAB变换器的移相控制量的输出侧电压电流关系式；使用前向欧拉法在一个工作周期内对所述关系式进行离散，得到输出电压的预测表达式；
功率均衡及输出控制模块，用于基于所述预测表达式，并考虑ISOS型DAB变换器的稳定均功率条件，设计得到代价函数；最小化所述代价函数，分别得到各子DAB变换器的最优相移控制量；根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到各开关管的控制信号，从而控制各个子DAB变换器的功率均衡以及整体输出电压追踪目标值。
9.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的输入串联输出串联型DAB变换器模型预测控制方法。
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