双有源桥变换器无电流传感器模型预测方法及装置.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310768091.2(22)申请日 2023.06.28(71)申请人 哈尔滨理工大学地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号(72)发明人 颜景斌王怡斐朱强许森洋王玺哲(74)专利代理机构 哈尔滨市阳光惠远知识产权代理有限公司 23211专利代理师 陈晶(51)Int.Cl.H02M 3/335(2006.01)G05B 13/04(2006.01)H02M 1/00(2007.01)(54)发明名称一种双有源桥变换器无电流传感器模型预测方法及装置(57)摘要一种双有源桥变。

2、换器无电流传感器模型预测方法及装置,涉及双有源桥变换器技术领域,方法包括:获取双有源桥变换器系统状态方程;将总扰动加入所述系统状态方程中作为状态变量得到线性系统方程,根据所述线性系统方程建立线性扩张状态观测器;利用双有源桥变换器的降阶模型对离散状态空间模型进行扩展,得到电压预测模型;将所述线性扩张状态观测器离散化处理,得到估计不确定输出电流的离散线性扩张状态观测器,再结合所述电压预测模型预测输出电压;该方法将扩张状态感测器与模型预测控制结合进而避免电流传感器的使用,能够显著改善双有源桥变换器的动态性能,并降低成本。权利要求书3页 说明书8页 附图3页CN 116505780 A2023.07.。

3、28CN 116505780 A1.一种双有源桥变换器无电流传感器模型预测方法,其特征在于,包括:获取双有源桥变换器系统状态方程;将总扰动加入所述系统状态方程中作为状态变量得到线性系统方程,根据所述线性系统方程建立线性扩张状态观测器;利用双有源桥变换器的降阶模型对离散状态空间模型进行扩展,得到电压预测模型;将所述线性扩张状态观测器离散化处理,得到估计不确定输出电流的离散线性扩张状态观测器,再结合所述电压预测模型预测输出电压;其中,将总扰动加入所述系统状态方程中作为状态变量得到线性系统方程,根据所述线性系统方程建立线性扩张状态观测器,包括:假设总扰动的一阶导数存在,令总扰动为所述双有源桥变换器系。

4、统中的一个新状态变量,加入原系统中,得到线性系统,并根据所述线性系统建立扩张状态观测器;所述状态观测器表示为:;其中,z01和z02分别是对扩张后的线性系统中状态变量x1和x2的估计,和为扩张状态观测器的参数,和为非线性函数,为误差参数,和分别为z01和z02的微分量,为总扰动f的导数,非线性函数和满足,任意时,能够让系统的状态渐近收敛于实际数值,即;令式中的,得到所述线性扩张状态观测器模型。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述双有源桥变换器系统为一阶非线性系统,通过以下公式表示:;其中,为外部扰动的作用,为综合了外部扰动与内部扰动的总扰动,y和u分别代表了被控对象的输出和输入,b为。

5、已知的被控对象参数,为状态变量,为状态变量的微分。3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述线性扩张状态观测器通过以下公式表示:。4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述电压预测模型通过以下公式表示:权利要求书1/3 页2CN 116505780 A2;其中,、分别是k+2时刻和k时刻的输出电压,为输入电压,为输出电容,为开关频率,为移相电感,为k时刻的桥间移相比,为k时刻的输出电流,D为系统中一二侧H桥的桥间移相比。5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述估计不确定输出电流的离散线性扩张状态观测器通过以下公式表示:;其中,、分别为k+1时刻状态变量的估计,k+1时刻总扰动的估。

6、计,为开关频率的倒数,、分别为线性扩张状态观测器的可调增益。6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,双有源桥变换器无电流传感器模型预测通过以下公式表示:;其中,为输出电压在k时刻的值。7.一种双有源桥变换器无电流传感器模型预测装置,其特征在于,包括:状态获取模块,用于获取双有源桥变换器系统状态方程;线性扩张观测器建立模块,用于将总扰动加入所述系统状态方程中作为状态变量得到线性系统方程,根据所述线性系统方程建立线性扩张状态观测器;电压预测模型建立模块,用于利用双有源桥变换器的降阶模型对离散状态空间模型进行扩展,得到电压预测模型;预测模块,用于将所述线性扩张状态观测器离散化处理,得到估计不确定输。

7、出电流的离散线性扩张状态观测器,再结合所述电压预测模型预测输出电压;所述线性扩张观测器建立模块进一步包括如下子模块:子模块一、用于假设总扰动的一阶导数存在,令总扰动为所述双有源桥变换器系统中的一个新状态变量,加入原系统中,得到线性系统;子模块二、用于根据所述线性系统建立扩张状态观测器;所述状态观测器表示为:权利要求书2/3 页3CN 116505780 A3;其中,z01和z02分别是对扩张后的线性系统中状态变量x1和x2的估计,和为扩张状态观测器的参数,和为非线性函数,为误差参数,和分别为z01和z02的微分量,为总扰动f的导数,非线性函数和满足,任意时,能够让系统的状态渐近收敛于实际数值,。

8、即;子模块三、用于令式中的,得到所述线性扩张状态观测器模型。8.一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求16任一所述的方法。9.一种电子设备,包括处理器和存储装置,其特征在于,所述存储装置中存有多条指令,所述处理器用于读取所述存储装置中的多条指令并执行如权利要求16任一所述的方法。权利要求书3/3 页4CN 116505780 A4一种双有源桥变换器无电流传感器模型预测方法及装置技术领域0001本发明涉及双有源桥变换器技术领域。背景技术0002伴随着我国“双碳”目标的提出,可再生新能源成为我国未来能源电力发展的重要方。

9、向,隔离型双有源桥(Dual Active Bridge,双有源桥)变换器因具有结构对称、高效率以及能量可双向流通的优势,使其成为了电动汽车、能量储存设备、能量转换装置等领域的理想选择。0003对于现有的双有源桥变换器预测控制方式来说,通常需要电流传感器检测输出负载的电流,并将检测值通过控制模块反馈至变换器。然而,一旦电流传感器出现故障,系统就可能出现过流情况,导致逆变器里的功率半导体器件产生不可恢复的故障甚至被损坏,从而明显降低驱动控制性能。0004因此,如何在双有源桥变换器预测控制的基础上,克服电流传感器容易产生故障或误差的缺点,并有效提高电流预测准确性,是本领域中尚待解决的技术问题。发明。

10、内容0005为了解决上述技术问题,本发明提供了一种双有源桥变换器无电流传感器模型方法及装置,该方法将扩张状态感测器与模型预测控制结合进而避免电流传感器的使用,能够显著改善双有源桥变换器的动态性能,并降低成本。0006基于同一发明构思,本发明具有四个独立的技术方案:1、一种双有源桥变换器无电流传感器模型预测方法,包括:获取双有源桥变换器系统状态方程;将总扰动加入所述系统状态方程中作为状态变量得到线性系统方程,根据所述线性系统方程建立线性扩张状态观测器;利用双有源桥变换器的降阶模型对离散状态空间模型进行扩展,得到电压预测模型;将所述线性扩张状态观测器离散化处理,得到估计不确定输出电流的离散线性扩张。

11、状态观测器,再结合所述电压预测模型预测输出电压;其中,将总扰动加入所述系统状态方程中作为状态变量得到线性系统方程,根据所述线性系统方程建立线性扩张状态观测器,包括:假设总扰动的一阶导数存在,令总扰动为所述双有源桥变换器系统中的一个新状态变量,加入原系统中,得到线性系统,并根据所述线性系统建立扩张状态观测器;所述状态观测器表示为:说明书1/8 页5CN 116505780 A5;其中,z01和z02分别是对扩张后的线性系统中状态变量x1和x2的估计,和为扩张状态观测器的参数,和为非线性函数,为误差参数,和分别为z01和z02的微分量,为总扰动f的导数,非线性函数和满足,任意时,能够让系统的状态渐。

12、近收敛于实际数值,即;令式中的,得到所述线性扩张状态观测器模型。0007进一步地,所述双有源桥变换器系统为一阶非线性系统,通过以下公式表示:;其中,为外部扰动的作用,为综合了外部扰动与内部扰动的总扰动,y和u分别代表了被控对象的输出和输入,b为已知的被控对象参数,为状态变量,为状态变量的微分。0008进一步地,所述线性扩张状态观测器通过以下公式表示:。0009进一步地,所述电压预测模型通过以下公式表示:;其中,、分别是k+2时刻和k时刻的输出电压,为输入电压,为输出电容,为开关频率,为移相电感,为k时刻的桥间移相比,为k时刻的输出电流,D为系统中一二侧H桥的桥间移相比。0010进一步地,所述估。

13、计不确定输出电流的离散线性扩张状态观测器通过以下公式表示:;其中,、分别为k+1时刻状态变量的估计、k+1时刻总扰动的估计,为开关频率的倒数,、分别为线性扩张状态观测器的可调增益。0011进一步地,双有源桥变换器无电流传感器模型预测通过以下公式表示:说明书2/8 页6CN 116505780 A6;其中,为输出电压在k时刻的值。00122、一种双有源桥变换器无电流传感器模型预测装置,包括:状态获取模块,用于获取双有源桥变换器系统状态方程;线性扩张观测器建立模块,用于将总扰动加入所述系统状态方程中作为状态变量得到线性系统方程,根据所述线性系统方程建立线性扩张状态观测器;电压预测模型建立模块,用于。

14、利用双有源桥变换器的降阶模型对离散状态空间模型进行扩展,得到电压预测模型;预测模块,用于将所述线性扩张状态观测器离散化处理,得到估计不确定输出电流的离散线性扩张状态观测器,再结合所述电压预测模型预测输出电压;所述线性扩张观测器建立模块进一步包括如下子模块:子模块一、用于假设总扰动的一阶导数存在,令总扰动为所述双有源桥变换器系统中的一个新状态变量,加入原系统中,得到线性系统;子模块二、用于根据所述线性系统建立扩张状态观测器;所述状态观测器表示为:;其中,z01和z02分别是对扩张后的线性系统中状态变量x1和x2的估计,和为扩张状态观测器的参数,和为非线性函数,为误差参数,和分别为z01和z02的。

15、微分量,为总扰动f的导数,非线性函数和满足,任意时,能够让系统的状态渐近收敛于实际数值,即;子模块三、用于令式中的,得到所述线性扩张状态观测器模型。00133、一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。00144、一种电子设备,包括处理器和存储装置,所述存储装置中存有多条指令,所述处理器用于读取所述存储装置中的多条指令并执行上述方法。0015本发明提供的双有源桥变换器无电流传感器模型预测方法及装置,至少包括如下有益效果:本发明将扩张状态感测器与模型预测控制结合进而避免电流传感器的使用,能够显著改善双有源桥变换器的动态性能,缩短输出。

16、电压的响应时间,避免系统频繁的电压超调与功率振荡,采用电流预测值代替电流传感器检测的实际电流,解决了电流传感器由于过电压、操作失误出现故障等信号误差造成的不可控性能恶化的问题,并且可以降低成本、说明书3/8 页7CN 116505780 A7简化硬件系统。附图说明0016为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。0017图1为本发明提供的双有源桥变换器无电流传感器模型预测方法一种实施例的流程图。

17、;图2为本发明涉及到的双有源桥变换器的结构示意图;图3为本发明用到的双有源桥变换器的降阶模型示意图;图4为本发明提供的无电流传感器预测控制策略示意图;图5为负载突变时扩张状态观测器的动态性能对比仿真图;图6为负载突变时扩张状态观测器的动态性能对比实验图。具体实施方式0018为了更好的理解上述技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。0019实施例一:参见图1,在一些实施例中,提供一种双有源桥变换器无电流传感器模型预测方法,包括:S1、获取双有源桥变换器系统状态方程;S2、将总扰动加入所述系统状态方程中作为状态变量得到线性系统方程,根据所述线性系统方程建立线性扩。

18、张状态观测器;S3、利用双有源桥变换器的降阶模型对离散状态空间模型进行扩展,得到电压预测模型;S4、将所述线性扩张状态观测器离散化处理,得到估计不确定输出电流的离散线性扩张状态观测器,再结合所述电压预测模型预测输出电压。0020涉及到的双有源桥变换器的结构示意图如图2所示。0021具体地,步骤S1S2中,首先以一个简单的线性构架为基石,将总扰动扩展成一个新状态变量,之后,利用系统的输入和输出重新构建出包括系统原本的状态变量与扰动在内的全部状态,对线性一阶扩张状态观测器进行数学建模;以一阶非线性被控对象为例,将过程进程中外扰作用的表现量表示为:;所述双有源桥变换器系统为一阶非线性系统,通过以下公。

19、式表示:;其中,为外部扰动的作用,为综合了外部扰动与内部扰动的总说明书4/8 页8CN 116505780 A8扰动,y和u分别代表了被控对象的输出和输入,b为已知的被控对象参数,为状态变量,为状态变量的微分。0022步骤S2中,将总扰动加入所述系统状态方程中作为状态变量得到线性系统方程,根据所述线性系统方程建立线性扩张状态观测器,包括:S21、假设总扰动的一阶导数存在,令总扰动为所述双有源桥变换器系统中的一个新状态变量,加入原系统中,得到线性系统,并根据所述线性系统建立扩张状态观测器;假设总扰动的一阶导数存在,令总扰动为状态方程中的一个新未知的状态变量,加入原系统中,即在原系统状态的基础上扩。

20、张出一个新状态,由此原系统变成线性系统,则上述一阶非线性系统可以写成如下式所示的扩张状态方程:;在上述扩张状态方程的基础上,所述状态观测器表示为:;其中,z01和z02分别是对扩张后的线性系统中状态变量x1和x2的估计,和为扩张状态观测器的参数,和为非线性函数,为误差参数,和分别为z01和z02的微分量,为总扰动f的导数,非线性函数和满足,任意时,能够让系统的状态渐近收敛于实际数值,即;S22、令式中的,得到所述线性扩张状态观测器模型。0023步骤S22中,所述线性扩张状态观测器通过以下公式表示:;步骤S3中,在单移相控制下,利用如图3所示的双有源桥转换器的降阶模型,可以使移相角和不同工作模式。

21、下的开关平均模型变得清晰简单,可得如下动力学公式:;其中,为电流在时间内的采样值,为流过输出电容和输出电阻并联支路的电流。0024针对双有源桥变换器可得输出电压的动态方程为:;通过正向欧拉法对该动态方程离散化,得到输出电压的离散公式:说明书5/8 页9CN 116505780 A9;其中,k为选取的某一控制瞬间,为输出电流Iout在时间内的采样值。0025将动力学公式代入输出电压的离散公式后可得离散后下一时刻输出电压的预测值:;在离散后下一时刻输出电压的预测值公式中对输出电压下一时刻的预测基础上,系统输出电压的第二步预测可表示为:;在一个控制周期内,可假设认为直流输出电流为常数,那么时刻和时刻。

22、的直流输出电流值相同,也能进一步得到时刻的系统输出电压与移相比的关系式,也即电压预测模型的公式如下:;其中,、分别是k+2时刻和k时刻的输出电压,为输入电压,为输出电容,为开关频率,为移相电感,为k时刻的桥间移相比,为k时刻的输出电流,D为系统中一二侧H桥的桥间移相比。0026可以看出,通过控制一二侧H桥的桥间移相比可以实现对系统输出电压的调节。由此,双有源桥变换器离散状态下的空间模型中,双有源桥变换器k+2时刻的响应可以通过k时刻的输出电压、电流采样值和桥间移相比来预测。在电压预测模型的基础上搭建模型预测控制,构建预测模型的代价函数和滚动优化计算模型,从而实现双有源桥变换器输出电压的高动态响。

23、应性能。很明显,离散动态模型式不仅需要输出电压采样,还需要额外的电流传感器来测量输出电流。当前传感器的使用无疑会影响系统的成本和尺寸。针对这一问题,引入步骤S2中得到的一阶线性扩张状态观测器,避免了电流传感器的使用。0027步骤S3中,由于动态电压模型是一阶单输入单输出系统,其状态空间模型可以表述为:;其中,表示状态变量,u表示系统输入,b0表示系统输入增益,f表示总扰动满足df/dt=h的关系式。0028线性一阶扩展状态观测器可以表示为:说明书6/8 页10CN 116505780 A10;其中,为状态变量的估计,为总扰动的估计,和为线性扩张状态观测器的可调增益。0029估计误差的状态空间模。

24、型表示为:;如果可调增益满足和,则满足Hurwitz稳定性判据,估计误差可以指数收敛到0。定义系数为观测器带宽,可得到线性扩张状态观测器的可调增益为:,;线性一阶扩展状态观测器结合输出电压的动态方程,进行离散化:;将离散化后的式子整理可得到估计不确定输出电流的离散线性扩张状态观测器的表达式:;其中,、分别为k+1时刻状态变量的估计,k+1时刻总扰动的估计,为开关频率的倒数,、分别为线性扩张状态观测器的可调增益。0030最终得到的双有源桥变换器无电流传感器模型预测通过以下公式表示:;其中,为输出电压在k时刻的值。0031通过推导无电流传感器扩张状态观测器模型,输出电压在k+2时刻的值与输出采样电。

25、流没有关系,模型参数不匹配产生的误差可以通过来减弱,图4为无电流传感器预测控制策略示意图,避免了使用电流传感器,节约成本。0032图5给出了双有源桥变换器的输出电阻在0.2s从600突变到180时电流传感器获取的输出电流和扩张状态观测器观测到的输出电流的仿真结果。其中,由上述实施例可知,假设当估计误差和为0时,扩张状态观测器观测到的输出电流可通过说明书7/8 页11CN 116505780 A11求得,输出电压参考值为300V。电流传感器获取的输出电流经过负载突变后约从0.5A上升到1.75 A,产生了大约0.03A的电流振荡后稳定,扩张状态观测器观测到的输出电流在0.2s后也产生约0.03A。

26、的电流波动值,变化趋势与电流传感器获取的输出电流大致相同。由此可以得到扩展状态观测器观测到的输出电流与电流传感器获取的实际电流是基本一致的,因此可以采用预测电流来替代实际测量的电流,实现无电流传感器。0033图6给出了双有源桥变换器的输出电阻在0.2s从600突变到180时电流传感器获取的输出电流和扩张状态观测器观测到的输出电流的实验结果。从实验结果可以发现本发明采用的双有源桥变换器无电流传感器模型预测控制方法与仿真效果相同,可以避免使用额外的电流传感器,能够实现快速响应和高效率的无电流传感器控制,降低系统电路成本。0034实施例二:在一些实施例中,提供一种双有源桥变换器无电流传感器模型预测装。

27、置,包括:状态获取模块,用于获取双有源桥变换器系统状态;线性扩张观测器建立模块,用于将总扰动作为所述系统状态中的一个新的状态变量得到线性系统,根据所述线性系统建立线性扩张状态观测器;电压预测模型建立模块,用于利用双有源桥变换器的降阶模型对离散状态空间模型进行扩展,得到电压预测模型;预测模块,用于将所述线性扩张状态观测器离散化处理,得到估计不确定输出电流的离散线性扩张状态观测器,再结合所述电压预测模型预测输出电压。0035实施例三:在一些实施例中,提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。0036实施例四:在一些实施例中,提供一。

28、种电子设备,包括处理器和存储装置,所述存储装置中存有多条指令,所述处理器用于读取所述存储装置中的多条指令并执行上述方法。0037本实施例提供的双有源桥变换器无电流传感器模型预测方法及装置,将扩张状态感测器与模型预测控制结合进而避免电流传感器的使用,能够显著改善双有源桥变换器的动态性能,缩短输出电压的响应时间,避免系统频繁的电压超调与功率振荡,采用电流预测值代替电流传感器检测的实际电流,解决了电流传感器由于过电压、操作失误出现故障等信号误差造成的不可控性能恶化的问题,并且可以降低成本、简化硬件系统。0038尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。说明书8/8 页12CN 116505780 A12图1图2说明书附图1/3 页13CN 116505780 A13图3图4说明书附图2/3 页14CN 116505780 A14图5图6说明书附图3/3 页15CN 116505780 A15。

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