[发明专利]双向双有源全桥变换器及其变频三重移相调制在线寻优方法

权利要求书

1.双向双有源全桥变换器，其特征在于，包括控制主电路，用于控制不同直流电压等级之间的能量双向传输，第一直流电压V1的两端与滤波电容C1并联连接，第一桥路由功率开关管Q1和Q2组成，第二桥路由功率开关管Q3和Q4组成，功率开关管Q1的集电极和功率开关管Q3的集电极连接在一起，并与第一直流电压V1的正极相连，功率开关管Q2的发射极和功率开关管Q4的发射极连接在一起，并与第一直流电压V1的负极相连，功率开关管Q1的发射极与功率开关管Q2的集电极相连，作为第一桥路的输出端A1，功率开关管Q3的发射极与功率开关管Q4的集电极相连，作为第二桥路的输出端B1，A1端与电感Lr的一端相连，Lr的另一端与变压器T1原边的同名端相连；B1端与变压器T1原边的异名端相连，第三桥路由功率开关管Q5和Q6组成，第四桥路由功率开关管Q7和Q8组成，第二直流电压V2的两端与滤波电容C2并联连接，功率开关管Q5的集电极和功率开关管Q7的集电极连接在一起，并与第二直流电压V2的正极相连，功率开关管Q6的发射极和功率开关管Q8的发射极连接在一起，并与第二直流电压V2的负极相连，功率开关管Q5的发射极与功率开关管Q6的集电极相连，作为第三桥路的输出端A2，功率开关管Q7的发射极与功率开关管Q8的集电极相连，作为第四桥路的输出端B2，A2端与变压器T1副边的同名端相连，B2端与变压器T1副边的异名端相连；定义所有功率开关管Q1～Q8的驱动脉冲信号的占空比为50％，其中，第一桥路的Q1与Q2的驱动脉冲信号互补，第二桥路的Q3与Q4的驱动脉冲信号互补，第三桥路的Q5与Q6的驱动脉冲信号互补，第四桥路的Q7与Q8的驱动脉冲信号互补，第二桥路的Q4与Q3的驱动脉冲信号分别滞后于第一桥路的Q1与Q2的驱动脉冲信号D₁*180°，其中定义D₁为第一桥路与第二桥路之间的移相占空比，第四桥路的Q8与Q7的驱动脉冲信号分别滞后于第三桥路的Q5与Q6的驱动脉冲信号D₂*180°，其中定义D₂为第三桥路与第四桥路之间的移相占空比，第三桥路的Q5与Q6的驱动脉冲信号分别滞后于第一桥路的Q1与Q2的驱动脉冲信号D₀*180°，其中定义D₀为第一桥路与第三桥路之间的移相占空比，当以第一桥路为参考，则第二桥路滞后第一桥路1-D₁个开关周期，第三桥路滞后第一桥路D₀个开关周期，第四桥路滞后第三桥路1-D₂个开关周期；

双向双有源全桥变换器的传输功率P_t表达式如式(1)所示，它是移相占空比D₀、D₁、D₂和开关频率fsw的函数；

式中，V₁为第一直流电压，V₂为第二直流电压，L为变压器串联电感Lr的电感值，n为变压器T1副边与原边的匝比，f_sw等于1/2T，T为半个开关周期，F₀₁(D)＝-0.0645sin(πD)-0.0024sin(3πD)是变量D的函数，式(1)中F₀₁(D)的D分别等于D₀、D₀-D₁、D₀+D₂、D₀+D₂-D₁；

流过电感Lr的电流有效值I_rms的平方表达式如式(2)所示，它是移相占空比D₀、D₁、D₂和开关频率f_sw的函数；

式中，F₀₂(D)＝0.02053cos(πD)+0.0002535cos(3πD)变量D的函数，式(2)中F₀₂(D)的D分别等于0、0、D₁、D₀、D₀+D₂、D₀-D₁、D₂、D₁-D₀-D₂；

设P_set为双向双有源全桥变换器的给定传输功率，当P_set0时，表示能量从第一直流电压V₁流向第二直流电压V₂；当P_set0时，表示能量从第二直流电压V₂流向第一直流电压V₁；

由式(1)和式(2)可知，双向双有源全桥变换器的传输功率P_t和流过电感Lr的电流有效值I_rms的平方都是移相占空比D₀、D₁、D₂和开关频率f_sw的函数，在保证实现给定传输功率P_set的前提下，为了获得最低的电感电流有效值和环流功率以及实现软开关运行，于是构造广义目标函数即适应度函数如式(3)所示；

式中，移相占空比D₀的取值范围为-1～1，移相占空比D₁的取值范围为0～1，移相占空比D₂的取值范围为0～1，开关频率f_sw的取值范围为20kHz～300kHz，实时检测第一直流电压V₁与第二直流电压V₂；电感Lr的电感值为L，它是恒定值，式(3)以最小值为目标，对D₀、D₁、D₂、f_sw采用粒子群优化算法进行优化组合后，可以使约束条件P_t-P_set＝0得到满足的同时，使式(2)表示的电感电流有效值具有最小值；

定义种群粒子属于四维空间，其四个维度分别表示三重移相占空比D₀、D₁、D₂与变换器开关频率f_sw的取值，粒子位置的允许域由D₀、D₁、D₂和f_sw的取值范围确定，设有N个最大迭代次数为J的粒子构成该种群，并在四维空间中搜索最优解，粒子在空间中的位置和速度都可以用一个四维向量来表示，定义变量如下：

粒子位置向量表示D₀、D₁、D₂、f_sw的取值，粒子速度向量表示D₀、D₁、D₂、f_sw值的变化快慢；个体最优位置向量表示第i个粒子最优的D₀、D₁、D₂、f_sw取值，上述向量中下标“i”表示第i个粒子，“j”表示该粒子的第j代，群体最优位置向量表示全局D₀、D₁、D₂、f_sw的最优取值；w(j)为粒子的惯性权重；b₁、b₂为粒子的学习因子；为服从均匀分布的随机向量，其每个维度的取值范围为0～1；

粒子群算法广义目标函数即适应度函数如式(3)所示，粒子群算法迭代算式如式(4)和式(5)所示；

2.如权利要求1所述的双向双有源全桥变换器变频三重移相调制在线寻优方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用粒子群优化算法对三重移相占空比D₀、D₁、D₂与变换器开关频率f_sw四个控制量寻优的具体实施步骤如下：

步骤1：初始化：初始时刻，粒子群算法还未运行，对控制器进行初始化；根据经验设置学习因子b₁、b₂，其范围属于0～2，惯性权重初值w(0)，其范围通常限定在0.3～1，粒子数量N，取200，粒子最大代数J，取800，在粒子位置允许域内均匀设置每个粒子的初始位置，并将其设置为该粒子的个体最优位置；利用式(3)对每个粒子的适应度求解，并将适应度最优的粒子位置设置为群体最优位置，随机设置粒子群内每一个粒子的初始速度，使其在0～0.2之间，进入步骤2；

步骤2：参数更新：根据控制器的输入参数与状态反馈量，更新第一直流电压值V₁、第二直流电压值V₂和变换器传输功率给定P_set，同时，当惯性权重大于权重最低值0.3时，根据w(j+1)＝w(j)-ε计算新的惯性权重，其中，ε为很小的正数，取值范围为0.0001～0.001之间；当惯性权重小于或等于权重最低值0.3时，保持该值不变，进入步骤3；

步骤3：粒子适应度求解：根据公式(3)对粒子群内每一个粒子的适应度进行求解，进入步骤4；

步骤4：个体与群体最优位置更新：比较每一个粒子所处位置的适应度与其最优位置的适应度，若该粒子当前位置的适应度优于其个体最优位置的适应度，则按式(6)重新设置该粒子的个体最优位置，反之，保持该粒子的当前位置为个体最优位置；比较每一个粒子所处位置的适应度与粒子群群体最优位置的适应度，若该粒子当前位置的适应度优于粒子群群体最优位置的适应度，则按式(7)重新设置粒子群群体最优位置，反之，保持该粒子的当前位置为群体最优位置；进入步骤5；

步骤5：粒子群粒子位置与速度更新：根据式(4)对粒子群内每个粒子的位置进行更新；位置更新后，判断该粒子位置是否在其允许域中，若超出允许域，则将该粒子位置限制在允许域的边界；当某个粒子的位置长时间未改变时，则按式(8)给其适当的位置扰动，避免粒子停滞，提高算法的搜索性能，式(8)中为服从均匀分布的随机向量，其每个维度的取值范围为0～1；然后根据公式(5)对粒子群内每一个粒子的速度进行更新，进入步骤6；

步骤6：控制量输出：将粒子群群体最优位置的坐标作为三重移相占空比D₀、D₁、D₂和变换器开关频率f_sw输出；进入步骤7；

步骤7：判断终止条件：若粒子代数j小于粒子群粒子的最大代数J，则返回步骤2，否则结束此次寻优过程。