适用于电动机车双向直流变换器的四自由度效率优化控制方法与流程

本发明涉及电力电子变换器，特别是涉及一种适用于电动机车双向直流变换器的四自由度效率优化控制方法。

背景技术：

1、目前，我国能源结构的重心逐渐由传统化石能源向清洁能源转移，可再生能源逐渐成为主流。双向全桥dc-dc变换器由于具有结构简单、能量双向流动和功率密度高等优点，被广泛应用于分布式发电系统、蓄电池储能系统、电动机车和电动汽车充电及能量回馈等领域。

2、双向全桥dc-dc变换器通常采用相移控制方法，实现简单，且易于实现能量的双向传输，但在输入输出电压不匹配或轻载工况下，会产生较大的回流功率和电流应力，导致变换器效率下降。此外，开关频率的提高会导致开关损耗增大，进而降低变换器效率。

3、为了提升变换器效率，目前有许多回流功率优化、最小电流应力优化或软开关范围扩展的优化方法相继被提出。这些方法虽然能够提高变换器的工作效率，但往往由于控制自由度的限制，只能通过回流功率优化、电流应力优化或者软开关范围扩展其中一方面实现效率优化，无法兼顾所有影响因素，因此变换器的稳态性能优化效果并不明显，无法实现综合性的效率提升。此外，传统优化方法大多数采用恒定开关频率，通过控制相移量来进行效率优化，最多能实现三个控制自由度优化，导致变换器的传输功率受到优化条件约束，难以实现变换器较宽功率范围内应用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于电动机车双向直流变换器的四自由度效率优化控制方法，能够实现双向全桥dc-dc变换器的工作效率综合优化，显著提升变换器的效率。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种适用于电动机车双向直流变换器的四自由度效率优化控制方法，包括以下步骤：

3、根据变换器在三重相移控制下的电感电流模型和软开关约束条件，计算得到满足全部开关管软开关的外相移量，并将得到的满足全部开关管软开关的外相移量作为全软开关约束条件；

4、根据变换器回流功率表达式，在全软开关约束条件下得到使回流功率为零的原边内相移角和副边内相移角的关系，并将原边内相移角和副边内相移角的关系作为零回流功率约束条件；

5、将所述外相移量、原边内相移角和副边内相移角作为三自由度，结合拉格朗日函数和双有源全桥直流变换器在三自由度控制下的功率表达式，引入开关频率作为第四个控制自由度，在满足全软开关和零回流功率约束条件的基础上，求解出满足最小电流应力优化的外相移量、原边内相移角、副边内相移角和开关频率的表达式；

6、基于外相移量、原边内相移角、副边内相移角和开关频率对双有源全桥直流变换器进行优化控制。

7、所述全软开关约束条件的获取方法具体为：以外相移量、原边内相移角和副边内相移角的组合作为自变量，利用分段分析法求解出所有开关开通时刻的电感和电流表达式，再结合每个时刻实现软开关所需的电流极性构造不等式方程组，联立求解得到所需的外移相量的大小，作为全软开关约束条件。

8、所述全软开关约束条件为：d2＝0，其中，d2表示外相移量。

9、所述零回流功率约束条件的获取方法具体为：以外相移量、原边内相移角和副边内相移角的组合作为自变量推导出回流功率表达式，再令回流功率为零，计算出对应原边内相移角和副边内相移角的关系，作为零回流功率的约束条件。

10、所述零回流功率约束条件为：d1＝1-k(1-d3)，其中，d1表示原边内相移角，d3表示副边内相移角，k表示双有源全桥直流变换器的电压转换比。

11、所述拉格朗日函数表示为：e＝ipeak(d1,d2,d3,fs)+λ(p-p*)，其中，e为拉格朗日函数，λ为拉格朗日乘数，ipeak(·)为电流应力函数，d1表示原边内相移角，d2表示外相移量，d3表示副边内相移角，fs表示开关频率，p为实际功率，p*为给定功率。

12、所述满足最小电流应力优化的外相移量、原边内相移角、副边内相移角和开关频率的关系式为：

13、

14、其中，d1表示原边内相移角，d2表示外相移量，d3表示副边内相移角，fs表示开关频率，k表示双有源全桥直流变换器的电压转换比，p′为双有源全桥直流变换器的传输功率，l为辅助电感的电感值，ui为双有源全桥直流变换器的的输入电压。

15、所述基于外相移量、原边内相移角、副边内相移角和开关频率对双有源全桥dc-dc变换器进行优化控制具体为：通过调节开关频率实现功率传输，通过调节原边内相移角实现最小电流应力控制，通过调节外相移角和副边内相移角实现零回流功率和全软开关优化。

16、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种适用于电动机车双向直流变换器的四自由度效率优化控制装置，包括：

17、第一计算模块，用于基于变换器在三重相移控制下的电感电流模型和软开关约束条件，计算得到满足全部开关管软开关的外相移量，并将得到的满足全部开关管软开关的外相移量作为全软开关约束条件；

18、第二计算模块，用于根据变换器回流功率表达式，在全软开关约束条件下得到使回流功率为零的原边内相移角和副边内相移角的关系，并将原边内相移角和副边内相移角的关系作为零回流功率约束条件；

19、第三计算模块，用于将所述外相移量、原边内相移角和副边内相移角作为三自由度，结合拉格朗日函数和双有源全桥直流变换器在三自由度控制下的功率表达式，引入开关频率作为第四控制自由度，在满足全软开关和零回流功率约束条件的基础上，求解出满足最小电流应力优化的外相移量、原边内相移角、副边内相移角和开关频率的表达式；

20、优化控制模块，用于基于外相移量、原边内相移角、副边内相移角和开关频率对双有源全桥直流变换器进行优化控制。

21、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述适用于电动机车双向直流变换器的四自由度效率优化控制方法的步骤。

22、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述适用于电动机车双向直流变换器的四自由度效率优化控制方法的步骤。

23、有益效果

24、由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明根据电力机车中双向全桥dc-dc变换器的三自由度软开关条件和回流功率模型，在保证全部开关管软开关和零回流功率的情况下，求解出三自由度d1、d2和d3的约束条件，并根据拉格朗日函数和变换器在三自由度控制下的功率模型，得到同时满足全软开关、零回流功率和最小电感电流应力的最优相移角和开关频率的组合。由于综合考虑全软开关、零回流功率和最小电感电流应力等优化，引入开关频率作为第四控制自由度，可以扩展变换器的传输功率范围，具有更高的控制自由度和更显著的优化效果，能进一步提高变换器效率，实现变换器系统节能高效运行。且本发明提出的四自由度效率优化控制方法算法简单、计算简便、易于数字化，具有很强的实用性。