一种基于线性拟合的三有源桥变换器的功率控制方法、介质及设备

1.本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种基于线性拟合的三有源桥变换器的功率控制方法、介质及设备。


背景技术：

2.随着各类新能源系统的出现，三有源桥dc/dc变换器是整合同时拥有可再生能源、储能系统和负载的能源系统的一种重要方案
[1-3]
。20世纪末，日本学者首次将移相调制技术引入桥式变换器
[4]
，由于移相调制能够使多数有源桥式变换器实现能量三向流动这一大特点，所以移相调制方法在三有源桥dc/dc变换器(dab)与三有源桥dc/dc变换器(tab)中得到了广泛应用。
[0003]
由于传统的三有源桥dc/dc(dab)变换器的拓扑结构与功率稳定运行范围是仅关于移相比的一元二次方程，其求解简单，能轻易在数字处理器中在线实时完成dab功率稳定运行范围的计算。tab也使用移相调制技术，同样面临功率传输不稳定问题。且tab各个直流端口功率差异较大，相比dab更容易出现功率传输失稳的情况，有必要对其功率传输稳定运行范围进行计算，以指导其硬件参数设计以及运行过程实时预警。tab各端口的功率是关于其控制量(两个移相比)的二元二次方程组。一方面，由于该二元二次方程组的复杂性，无法像dab一样得到其功率稳定运行范围的解析解；另一方面，若采用类似牛顿迭代法的数值方法求解该二元二次非线性方程组，并试图描绘出tab的功率稳定范围，则在其功率稳定范围边界上的每个点都要进行一次数值求解迭代过程，总体计算量十分庞大不可能实现，完全不满足对于计算快速性的要求。
[0004]
由于tab三端口功率稳定运行范围及边界的高度非线性特征及高度复杂性，目前仍未见能够实现快速实时求解tab三端口功率稳定运行范围的技术方法。因此，在现有技术手段下，无法快速实时计算tab变换器运行中的各端口功率的稳定运行范围，各端口所外接负载和新能源等功率的不受控而随意变化，导致了变换器失稳，影响检测器件的正常工作。


技术实现要素：

[0005]
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于线性拟合的三有源桥变换器的功率控制方法，该方法包括：将三有源桥变换器接入接电源，确定三有源桥变换器稳定运行的范围边界，获取范围边界中的12个特殊工作点a1～a12；计算每个特殊工作点对应的功率坐标；根据功率坐标构建三有源桥变换器稳定运行的线性不等式组，并得到三有源桥变换器功率稳定运行的范围；根据三有源桥变换器功率稳定运行的范围对输入的电源进行控制，实现器件的功率稳定性。
[0006]
优选的，获取范围边界中的特殊工作点的过程包括：将12个特殊工作点划分为四个类别，采用不同的获取规则分别获取对不同类别的特殊工作点；四个类别包括第一类特殊工作点a1～a4，第二类特殊工作点a9和a10，第三类特殊工作点a11和a12以及第四类特殊
工作点a5～a8；所有12个特殊工作点a1～a12均位于稳定运行范围的边界上。
[0007]
进一步的，第一类特殊工作点的获取规则包括：将tab的第一端口作为参考端口，即第一端口的相比d1＝0，特殊工作点的坐标分别为其余两个端口的移相比d2和d3；将第一端口和第二端口中的任一端口的移相比作为0，另一端口的移相比达到其正向或负向的最大值
±
0.5，得到第一类特殊工作点；第一类特殊工作点的坐标分别为a1(0,0.5)、a2(0,-0.5)、a3(0.5,0)、a4(-0.5,0)。
[0008]
优选的，第二类特殊工作点的获取规则包括：将tab的第一端口作为参考端口，即第一端口的相比d1＝0，特殊工作点的坐标分别为其余两个端口的移相比d2和d3；将两个端口移相比同号且同时达到其正向或负向的最大值
±
0.5，即两个端口功率同时达到其正向或负向的最大值；第二类特殊工作点的坐标为：a9(0.5,0.5)、a10(-0.5,-0.5)。
[0009]
优选的，第三类特殊工作点的获取规则包括：将tab的第一端口作为参考端口，即第一端口的相比d1＝0，特殊工作点的坐标分别为其余两个端口的移相比d2和d3；两个端口移相比异号，且两个端口功率绝对值之和达到其最大值，第三类特殊工作点的坐标为a11((v1+2v3)/(2v1+8v3),-(v1+2v3)/(2v1+8v3))、a12(-(v1+2v2)/(2v1+8v2),(v1+2v2)/(2v1+8v2))；其中，v1表示第一端口电压，v2表示第二端口电压，v3表示第三端口电压。
[0010]
优选的，第四类特殊工作点的获取规则包括：将tab的第一端口作为参考端口，即第一端口的相比d1＝0，特殊工作点的坐标分别为其余两个端口的移相比d2和d3；任一个端口移相比达到其正向或负向最大值
±
0.5，且另一个端口移相比为其一半
±
0.25；其中第四类特殊工作点的坐标为a5(0.25,0.5)、a6(-0.25,-0.5)、a7(0.5,0.25)、a8(-0.5,-0.25)。
[0011]
优选的，每个特殊工作点对应的功率坐标为：
[0012][0013]
其中，v1表示第一端口电压，v2表示第二端口电压，v3表示第三端口电压，n表示端口数，f表示开关频率，l表示三有源桥变换器的串联电感。
[0014]
优选的，构建三有源桥变换器稳定运行的线性不等式组的公式为：
[0015][0016]
其中，a1～a12分别表示各个特殊工作点的功率坐标，p2表示三有源桥变换器第二端口的传输功率，p3表示三有源桥变换器第三端口的传输功率。
[0017]
本发明还提供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存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的方法中的任一方法。
[0018]
本发明还提供一种计算设备，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据上述的方法中的任一方法的指令。
[0019]
本发明的有益效果：
[0020]
本发明大幅简化tab高度非线性的功率稳定运行范围，显著降低功率稳定运行范围的计算复杂性和计算量，推导了tab功率稳定运行范围的不等式组解析表达式，使得tab功率稳定运行范围的快速计算成为可能。本发明实时计算tab各个端口的功率稳定范围，能够据此限制各端口所接入的负载和源荷功率值，完全解决tab因各端口功率传输不平衡导致失稳的致命问题，始终保证tab变换器工作稳定性，极大减少设备损坏和断电的风险，创造较大经济收益。
附图说明
[0021]
图1为本发明的流程图；
[0022]
图2为本发明的tab变换器的拓扑结构图；
[0023]
图3为本发明的tab变换器单移相调制图；
[0024]
图4为本发明的tab端口稳定运行范围图。
具体实施方式
[0025]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0026]
一种基于线性拟合的三有源桥变换器的功率控制方法，如图1所示，该方法包括：将三有源桥变换器接入接电源，确定三有源桥变换器稳定运行的范围边界，获取范围边界中的12个特殊工作点a1～a12；计算每个特殊工作点对应的功率坐标；根据功率坐标构建三有源桥变换器稳定运行的线性不等式组，并得到三有源桥变换器功率稳定运行的范围；根据三有源桥变换器功率稳定运行的范围对输入的电源进行控制，实现器件的功率稳定性。
[0027]
在本实施例中，将12个特殊工作点划分为四个类别，采用不同的获取规则分别获取不同类别的特殊工作点；四个类别包括第一类特殊工作点a1～a4，第二类特殊工作点a9和a10，第三类特殊工作点a11和a12以及第四类特殊工作点a5～a8；所有12个特殊工作点a1～a12均位于稳定运行范围的边界上。
[0028]
在本实施例中，采用不同的获取规则分别获取不同类别的特殊工作点的过程包括：将tab的第一端口作为参考端口，即第一端口的相比d1＝0，特殊工作点的坐标分别为其余两个端口的移相比d2和d3；第一类特殊工作点为任一端口的移相比为0，另一端口的移相比为
±
0.5，即达到该端口功率正向或负向传输的最值；例如第一类别的四个特殊工作点的坐标分别为a1(0,0.5)、a2(0,-0.5)、a3(0.5,0)、a4(-0.5,0)。第二类特殊工作点为两个端口移相比同号，且达到端口功率正向或负向传输的最值；例如第二类别的两个特殊工作点的坐标分别为a9(0.5,0.5)、a10(-0.5,-0.5)。第三类特殊工作点为两个端口移相比异号，且达到两端口功率绝对值之和的最大值；例如第三类别的两个特殊工作点的坐标分别为：a11((v1+2v3)/(2v1+8v3),-(v1+2v3)/(2v1+8v3))，a12(-(v1+2v2)/(2v1+8v2),(v1+2v2)/(2v1+8v2))，其中，v1表示第一端口电压，v2表示第二端口电压，v3表示第三端口电压。第四类特殊工作点为其中一个端口移相比为
±
0.5，另一个端口移相比为
±
0.25，该情形为a1～a4与a9～a10的中间状态，属于加密点，用于增加拟合的稳定功率范围的覆盖率，例如第四类别的四个特殊工作点的坐标分别为：a5(0.25,0.5)、a6(-0.25,-0.5)、a7(0.5,0.25)、a8(-0.5,-0.25)。
[0029]
计算每个特殊工作点所对应的功率坐标，其计算公式为：
[0030][0031]
其中，v1表示第一端口电压，v2表示第二端口电压，v3表示第三端口电压，n表示端口数，f表示开关频率，l表示三有源桥变换器的串联电感。
[0032]
将相邻的两个特殊工作点相连并使用点斜式求出直线方程，构建不等式组拟合tab功率稳定运行范围，得到tab功率稳定运行范围的计算公式如下：
[0033][0034]
其中，a1～a12分别表示各个特殊工作点的功率坐标，p2表示三有源桥变换器第二端口的传输功率，p3表示三有源桥变换器第三端口的传输功率。
[0035]
一种tab变换器的拓扑结构，如图2所示，在该拓扑结构图中，p
1-p3分别表示tab变换器各个端口的功率流动方向。v
1-v3分别代表t ab三个端口的直流电压，c代表tab端口上的稳压电容，l
1-l3表示tab的串联电感。
[0036]
在本实时例中，如图3所示，u
1-u3分别代表了tab变换器三个端口上的电压，i
l1-i
l3
表示tab变换器三个端口上电感电流，t
hs
为半个开关周期(t
hs
＝1/2f)，d2与d3分别表示相对于端口1，端口2与3的移相比的值。通过改变d2与d3，便可以控制端口功率p2与p3的大小。
[0037]
在本实施例中，首先分别确定位于12种特殊情况下的工作点，然后计算每个特殊工作点对应的功率坐标，并将这些工作点的功率坐标线性连接，拟合得到由三有源桥变换器稳定运行的线性不等式组表示的tab端口功率稳定运行的线性近似范围，如图4所示，图中较粗的曲线表示的就是tab变换器实际功率稳定运行边界，其内部区域即为tab变换器的实际功率稳定运行范围，可以看出该边界为二元非线性曲线；a1～a12是选取的tab变换器的特殊工作点，均位于稳定运行范围的边界上。图中较细的折线为a1～a12线性拟合后的tab变换器近似功率稳定运行边界。较细的折线内部区域便是线性拟合后的tab变换器的功率稳定运行范围。
[0038]
拟合后的功率稳定运行范围区域与实际稳定运行范围高度重合。通过数值计算可
得，拟合区域的面积占实际区域面积的百分之九十五以上。很好验证了本发明专利所提出的线性拟合方法能够有效表示tab变换器的实际功率稳定范围。
[0039]
本发明在一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，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，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于tab变换器功率控制的操作。
[0040]
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0041]
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。