1、第卷第期年月电 力 电子技术，基于梯度下降法的变换器双重优化控制吴丽珍檀泽浩，郝晓弘陈伟（兰州理工大学，电气工程与信息工程学院，甘肃兰州；甘肃省工业过程先进控制重点实验室，甘肃兰州；兰州理工大 学，国家 级电气与控制工程实验教学中心，甘肃兰州）摘要：针对双有源桥（）变换器电流应力与回流功率的优化问题，提出一种基于双重移 相（）控制的双重目标优化控制策略。首先建立变换器在控制下的数学模型，通过分析运行状态确 定约束条件并构建针 对电流应力与回流功率的目标函数，其 次引入移相比关系量确保 移相比取值在约束范围内，应用梯度下降法寻优并结合基于输出电压反馈的补偿控制构建完 整的双重优化控制策略。最 后
2、通过仿真和搭建使用 控制器的实验平台验证了所提 控制策 略的有效性。关键词：变 换器；双重移 相 控制；双重优化控制中图分类号：文献标识 码：文章编号：（），！，（，）：（）？（），：；：（）；？（）引言分 布 式发电技术的应用是应对当前 能 源 危机的有效措施之一，微电网则是分布式电源接入配电网的桥梁与纽带。而作 为能源互联网的核心装置，能量路由器（）对实 现各 微网 间的无缝衔接，对能量能够平稳过渡起着重要作用变换器具 有易于实现能量的双向流动以及控制 灵活、电气隔离等特点，常作为的关 键部分以实现 能量的传输基金 项目：国家自然科学基金（）；甘肃省科技计划（）定稿日期：作者 简 介：吴丽
3、珍（），女，教授，研究方向 为微电网与微能源网的稳定运行与控制。变 换器常用的控制方法为 移相 控制，但基础的移相控制会产生电流应力 与回流功率。为减少损耗，学 者们在移相控制基础上添加优 化环节来提高变换器的运行 效率。文 献提出了基于扩展移 相和梯度算法的回流功率优化控制方案。文献通过分析双重移相控制，提出 了自适应步长的电流应力的优化控制方法。文献通过分段优化 策略，推导出变 换器多种工作 模态下的电流应力最优移 相比。上述文 献均只针对电流应力 与回流功率其中 的单一目标进行优化，文献虽对比分析了电流应力 与回流 功率各自的优化方案，但并未将其结合起来进行 研宄。为提 高变换器传输效率
4、，在控制基础上提出一种基于梯度下降算 法的双重优 化控制（）策 略，通过构建目标函数与 约束条件，应基于梯度下降法的变换器双重优化控制用梯度下降算法同步 减少电流应力 与回流功率，最后通过仿真与实验 验证了所提策略的有效性。变换器拓扑结构及控制分析图为 单个变换器的拓 扑结构，高频变压器连接了两个对称的桥，左侧桥构成输入级，中 间变压器构成隔离 级，右 侧桥构成输出级，变压器变比为。仏，分别为输入电压和输出电压；：分别为输入侧的支撑电容和输出侧的滤 波电容；分别 为两桥的输出电压；分别为的输入电流和输出电流；变 换器开关频率为，开关周期为取 丨“；图变换 器 拓 扑结构 移相控制 作为变 换器
5、应用最 普 遍的控制方 式，主要 通过 控制？发脉冲 使两个桥产生相位差来实现能量的传输。但 在实际运行过程中，变压 器两 侧的 电压会发生突变，而电感电流无法突变，因此当变压器电压和电感电流方向相反时便 会 产生回流功 率，而为维持一个周期内的功 率传输，系统又会产生更大的电感电流以弥补这部 分损 耗，进 而 造成更大的能量损耗。单移相（）控制虽易于实现，但其 存在较大的损耗，致使该控制 方法下变换器传 输 效率较低。取巧为功 率基 准 值，（凡），！为电流基 准值，（，推导控制下传 输功率、电流应力以及回流功率的标幺值为：？（）（）（）（）？（）（）（）控制相较于控制 增加了桥内移相比，提
6、升了控制灵活度。按照），和认的大小关系，可将控制划分为矣，矣）矣的轻载运行 状 态和矣的重载运行状态两 种工作模式。两种运行模式的工作波形 如图，所示。同样以为功 率基准值，为电流 基 准值，根据图，分 析推导得控制 下标幺化的传输功率、电流应力和回流功 率分别为：（），），（），（）（），（），（）（）（：），），（）（）（）（）（）图轻载运行状 态的工作波形（）图重载运行状态的工作波形 根据 式（）（）可得出控制下传输功率、电流应力与回流功率曲面图如图所示。（）电流应力曲面图（）回流 功 率曲面图图与关于曲面图 由图可知，当变 换器处于轻载运行状态，即内外移相比矣认时，系统的 电流应力与回
7、流功率均小于 重载状态。为实现变换器的低损耗运行，所 提 控制策 略 将在保证传输功率的前提下使系统 处于轻载运行状态。双重优化目标函数与 约束条件目标函数的确立在系 统运行过程中，通过实 时检测输入输出第 卷第期年月电力电子技术，的 电压电流 得到传输功率 标幺值，以传 输 功率相同为条件将控制与控制 对应结合 起来。针对方程取较小值解）为：（）将）代入式（）和式（）得到此时控制的 电流应力和回流功率标么值 为：）（）一为 保 持系 统处 于轻载运行模式，值要始终保持在认之间，而？的变化使得取值范围也在不 断 变化。为了提高优 化准确度，这里引入变量使式（）成立：（）的引入可以将原本取值始终
8、相互耦合的，变为求解取值 范围较为独立的，以便于后 续 求解。由此得到控制下传输功率、电流应力与回流功率的新表达式：（），（）（），？），（）（）？，），）（）（）（），（）（）（），），（）引入电流应力权重值，令矣矣，取？为回流 功 率权重值。可见，电流应力数值较回流功率 大得多，倘若直接构 建权重函数，则 必然导致优 化结果偏向电流应力，减弱甚至忽略回流 功率的优化。所以结合上述对控制的分 析，针对控制下电流 应力与回流功 率建立如式（）所 示的关于）和的目标函数（，）：（，）今心（）约束 条 件根据轻载运行状态，卩，从认的移 相比条 件，对的取值范围进行 更新：，（）矣矣（），以，为 条
9、 件，结合 式（）对取值进行更新，前后对比如图所示。更新前 后目标函数如图所示。由图可知，当认在，和，区 间时，由于认的约束使 得取值分 别被限 制在和。而图中更新后的函数与更 新前 差异明显，因为的更正使 得图能 够更准确地反映出符 合 要求移 相比的目标函数，进而为电流应力与回流功率的优化提供更 精确依据。：了？更新前更新后图值更新对比（）更 新前（）更新 后图更新前后的函数曲面图 根 据上述分析，针对 变 换器电流应力与回流功率的双重优化问题可用式（）表 示。（，；）“（？）“），（），（），变换器双重优化控制策 略上述分 析控制 波形得 到的关系式都是 在理想状况下推导而 来，而在实
10、际运行中系统会有误差与外界干扰，不会处于理想状态。并且，分 析图可知，的取值会因为认在 部分 取 值范围之内时，由于，认的约束被限制，当取值在这 些范围内时，认可能会因而被箝 制 在某些值，导致系统输出发生突变。为 改 善上述控制系统所存在的问题与不 足，添加基于控制的输出电压反 馈作 为补偿控制环节用以调节系统中存 在的不可避免的误差与外界干扰 造成的输出偏 差，使得变 换器 能够稳定维持在目标运行状态。而在 利用权 重法的优化问题中，权重值的确定 最为重 要。文献中，以 电流 应力和回流 功 率基于梯度下降法的变换器双重优 化控制构建相应的对比函数 作 为权重 取值的判断依据。这 种方法较
11、为复杂，并且需要 依靠主观经验 来定夺。为了在 简化求 解过程的同时保证结果的客 观严谨，针 对所 建立的目标函数，应用梯度下降算 法对其进行寻优求解，构 建的系统整体控制框图如图所示。（）（，；？（？图基于策略的控制框图 根据实 时读取到 系统参数 构 建目标函数，应用梯度下降法进行 寻 优，直接输出优化后求得的，将控制求得的反馈系数结合算法求解得到的认以输出最终的认。根 据 梯度下降算法原理可以得 到目标函数丑梯度 表达式为：（，），（）由此可以得到目标函数的优 化迭代方程：（，）（，）（，）（）式中：；为迭代 次数；为第次迭代的初始值；（，）为经过第次迭代后的新认和值；为 迭 代 步长，
12、也被称为学习率。的大 小 决 定了优 化算法的迭代精 确 度，取值过大可能会 在最 小值附近产生振荡无法收敛，而取值过小又会加大迭 代 次数，增 加系统 优化所用时间。取迭代 差值 为：！（，？），（），）（）其 算法流程 框图如图所示。根据式（卜丨进行迭代计 算根据式（）和式（丨更 新兹根据式（）计算丨输出参数 始化读取输入输出电压电流计算（，传 输功率根 据 式（）？（）构建目标函数图函数梯度下 降法流程框图 图中为 预设的精 度误差 值，用来判断迭代结果是否符 合预设条件为预设的最 大迭代 步数，用来中止迭代过程，以防在进入特殊情况时陷入不收敛的死 循环致使系统 无法正常工作。同样以，约
13、 束为例，目标函数值、迭代差值、回流功率标幺值；及电流应力标么值的优化过程如图所示。迭代 次数（）图优化过程图 根据算法的优化结果可知，仅迭代至第次时值便趋近 于零，目标函数值从降低至并趋于稳定，而且回流 功 率与电流应力均有明显降低，值从降低至，值则从降低至。实验验证为了验证所提策略的有效性，以 作为控制器搭建实验平台，调整变换器稳定在目标运行状态进行验证。主要电路部 分参数：开关频率，变压器变比：给定输入电压，分别应用控制 与控制策略，调节输出电压为，待变 换器运行在稳定状态后，记录变压器初 级电压和电感电流波形见图。由实验结果可知，在输入，输出电压时，没有优化环节的控制产生的电感电流峰
14、值约 为，从零变正、负压 时 变换器明显会产生回流功率。在应用了策略后，优 化后的移相比认和认分别为，左右，系统处于轻 载运行状态，此时权重值约为，变换器电流应力降到了 左右，并且回流功率优化效 果 也 很显著。（格）（格）（）传 统控制（）策略图应用策 略 前后对比 结论通过分析变换器在控制下 的运行状态，针对电流应力与回流功率提出。通过仿 真与实验验证可得的引入能够起到约束作用，使得控制策略可以确定 移 相比取值范围，确保变换器处于轻载运行状态。目标函数的构建与梯度下降法的应用使得 所提优化控制策略可以自主确定 权重值以便于变换器运行时同步降低电流应力与回流功率，对提高运行效率有一定的作用
15、。后续工作可以针对完全消除回流功率方向进行改进与完善。参考文献艾欣，荣经国，吕正，等一种新型 的能量路由器结构及其控制 策 略的研究电网技术，（）：，？，？，（）：余伟臣，高明，干方宇，等基于双重同步内移相的 回流功率简化控制电力电子技 术，（）：周兵凯，杨晓峰，张智，等能量路由器中双有源桥直流变换器多目标优化控制策略丨几电工技术学报，（）：王洋，赵训威双有 源桥变换器电流应 力 优化电力电子技术，（）：，曾进辉，孙志峰，雷敏，等双重移相控制的双主动全桥变换器全局电流应力分析及优化控制策略电工技术学报，（：胡燕，张天晖，杨立新，等双重移相变换器回流功 率优化与电流应力优化的对比研宄】中国电机工
16、程学报，（）：杨向真，孔令 浩，杜燕，等基于动态矩 阵控制的 变换器电流 应力与回流功率优化 方法电力 系统自动化，（）：（上接第页）变 换器电压传输比限 制，可应用在高压大 功率的场合，同时避免型逆变器存在的电压平衡问题，完美继承了逆变器和间接矩阵变换器的优点。提出双空间矢量调制策略，可使电压传输比达到。仿真和实验验证了所提拓扑结 构和调 制策略的可行性。参 考文献，？，（）：，？，（）：，？：，？：，？：，？：张建忠，胡路才，徐帅一种零序电压注入的型三电平逆变器中点电位 平衡 控制 方法电工技术学 报，（）：徐质闲，王政，王学庆，等型三电平双三相永磁同步电机驱动零 共模电压模型 预 测 控 制中国电机工程学报，（）：李善寿，陶勇，叶伟，等抑制型三电平逆变器共模电压的调制策略高电压技术，（）：第卷第期电 力 电子技术，年月（班）
