基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法，LLC谐振变换器包括依次连接的方波发生器、谐振网络、高频变压器和整流网络，该方法包括以下步骤：S1、利用基波分析法得到LLC谐振变换器电路的等效电路；S2、确定等效电路中谐振电感和励磁电感之间的约束条件；S3、建立布谷鸟算法的适应度函数，利用布谷鸟算法确定最优的一组谐振电感和励磁电感的取值，并确定谐振电容的取值。与现有技术相比，本发明专利技术参数寻优采用最新的布谷鸟算法，能够对存在不可导点的目标函数进行优化，并且其特有的巢寄生行为和莱维飞行特性使得该搜索算法具有更优的搜索路径和更强的全局搜索能力，可以避免陷入局部最优。

Parameter optimization design method of LLC resonant converter based on cuckoo algorithm

The present invention relates to an optimal design method of LLC resonant converter parameters based on cuckoo algorithm. The LLC resonant converter includes a square wave generator, a resonant network, a high frequency transformer and a rectifier network connected in turn. The method includes the following steps: S1, obtaining the equivalent circuit of LLC resonant converter circuit by fundamental wave analysis method; S2, determining the resonant inductance and excitation electricity in the equivalent circuit. The constraints between inductances; S3. Establish the fitness function of cuckoo algorithm, use cuckoo algorithm to determine the optimal set of resonant inductance and excitation inductance, and determine the value of resonant capacitance. Compared with the existing technology, the cuckoo algorithm adopted in the parameter optimization of the invention can optimize the objective function with non-differentiable points, and its unique nest parasitic behavior and Levy flight characteristics make the search algorithm have better search path and stronger global search ability, and can avoid falling into local optimum.

【技术实现步骤摘要】
基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法
本专利技术涉及电力电子
，尤其是涉及一种基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法。
技术介绍
电子变压器具有频率高体积小，可控性高，能同时连接直流电源和交流电网等诸多优点，因而被广泛用于风能、太阳能等可再生能源的发电并网。电子变压器的核心是高频DC-DC变换器。较高的频率能够减小变压器的体积，但同时也会带来一个明显的问题——变换器的开关损耗大大增加。为了降低开关损耗，通常利用谐振电路(LLC)使得变换器的开关器件运行在软开关状态。而谐振电路的参数选择对软开关的性能有很大的影响。如何通过有效的参数优化设计使得谐振变换器充分发挥其自身优势已成为电力电子领域的热点问题。目前广泛采用的是基于基波分析法(FundamentalHarmonicApproximation，FHA)从不同优化角度提出的谐振网络参数设计方法，但是FHA忽略了谐振电流中的谐波成分，因而当谐振电路运行在偏离谐振频率时变换器性能有较大偏差。针对单纯FHA方法的不足，有设计者采用基波分析法结合时域仿真来优化谐振参数，利用仿真所得数据进行插值得到增益曲线，但是拟合曲线的精度取决于归一化频率的插值精度，并且该方法是优化电感比和品质因数而非直接对谐振元件参数进行优化。近几年有学者提出采用模态分析法结合峰值增益配置的方法进行参数优化，该方法能精确地设计谐振参数，但是由于谐振网络的运行过程十分复杂，模态分析法就显得繁琐，不适合在工程领域推广。综上所述，目前谐振参数优化设计的方法大多存在局部最优、精度不高、算法较复杂等不足。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法，所述LLC谐振变换器包括依次连接的方波发生器、谐振网络、高频变压器和整流网络，该方法包括以下步骤：S1、利用基波分析法得到LLC谐振变换器电路的等效电路；S2、确定等效电路中谐振电感和励磁电感之间的约束条件；S3、建立布谷鸟算法的适应度函数，利用布谷鸟算法确定最优的一组谐振电感和励磁电感的取值，再确定谐振电容的取值。优选的，所述步骤S1具体包括：利用基波分析法将LLC谐振变换器电路的副边电路等效到原边得到等效电路。优选的，所述步骤S2具体包括：S21、根据直流电压增益与归一化频率之间的函数关系，以及设计规格所要求的最大和最小直流增益，确定等效电路中谐振电感和励磁电感之间的第一约束条件；S22、根据确保谐振网络的输入阻抗始终呈现为感性的条件，确定等效电路中谐振电感和励磁电感之间的第二约束条件；S23、根据在死区时间内，励磁电流峰值足够大能将管子的结电容端压释放到零，并且在整个死区时间内放电电流不改变方向的条件，确定等效电路中谐振电感和励磁电感之间的第三约束条件。优选的，所述第一约束条件包括：G(fn_min)≥Gmax且Gmin≥G(fn_max)，其中，G(fn_min)为归一化频率的最小值对应的LLC谐振变换器实际所能达到的最大直流增益，G(fn_max)为归一化频率的最大值对应的LLC谐振变换器实际所能达到的最小直流增益，Gmax和Gmin分别为设计规格所要求的最大和最小直流增益。优选的，所述第二约束条件包括：tanθ＞0其中，θ为谐振网络的输入阻抗角。优选的，所述第三约束条件包括：其中，Lr、Lm分别为等效电路中的谐振电感和励磁电感，Coss为开关管的结电容，Im_peak为励磁电感峰值电流，Vin为输入电压，Ts为开关周期，Tdead为死区时间。优选的，所述步骤S3中布谷鸟算法的适应度函数为：minF(Lm,Lr)＝Ip_rms+Im_rms+I2_rms-logic×Value其中，Lr、Lm分别为等效电路中的谐振电感和励磁电感；logic为步骤S2中所有约束条件相与构成的逻辑判断式；Value为归一化数量级因子，是一个大于零的常数，其大小与Ip_rms、Im_rms、I2_rms在同一个数量级；Ip_rms为LLC谐振变换器谐振电流的有效值：Im_rms为LLC谐振变换器励磁电流的有效值：I2_rms为LLC谐振变换器副边电流的有效值：其中，Vo为额定输出电压，fr为谐振频率，n为变压器变比，RL为负载电阻。优选的，所述步骤S3中利用布谷鸟算法确定最优的一组谐振电感和励磁电感的取值的过程具体包括：步骤(1)、初始化LLC谐振变换器的设计规格：设置LLC谐振变换器的规格参数，包括额定输入、输出电压、输入电压宽范围、额定输出功率、谐振频率、允许的开关频率范围、死区时间和开关管结电容，初步确定变压器变比n、LLC谐振变换器应满足的直流增益最大值Gmax和最小值Gmin；步骤(2)、绘制等效电路中的谐振电感Lr和励磁电感Lm的分布地图：根据步骤1的设计规格，计算参数范围{Lm，Lr}合集对应的适应度值，并绘制适应度值的三维分布地图，其中的凹陷区域作为满足增益要求和ZVS条件的参数范围；步骤(3)、布谷鸟算法的初始化：设置布谷鸟算法的相关参数，包括迭代次数K、位置更新的步长α和布谷鸟蛋的发现概率Pa；随机生成N组{Lm,Lr}参数合集，即N组鸟巢的位置xk,n＝(Lm,Lr)，xk,n表示第k代第n个鸟巢的位置坐标，初始化时k＝0，n＝1,2…N；步骤(4)、更新全局极小值和个体极小值：计算第k次迭代时N个鸟巢的适应度值，并将他们与个体极小值PBestn分别进行比较，如果更优，则分别更新当前N个鸟巢的个体极小值PBestn和个体最优位置PBestLocn；再将每个鸟巢的适应度值与全局极小值GBest进行比较，如果更优，则更新当前的适应度全局极值GBest和鸟巢的全局最优位置GBestLoc；步骤(5)、更新下一代鸟巢的位置：按照Lévyflight公式生成下一代鸟巢的位置，以概率Pa舍弃部分解，同时以偏好随机游走方式生成与被舍弃解同等数量的新解作为补充；步骤(6)、判断k是否达到最大迭代次数K，若没有，则迭代次数加1，重复步骤4和5，否则执行步骤7；步骤(7)、输出鸟巢的全局最优位置GBestLoc＝(Lm，Lr)，作为参数的优化结果。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、参数寻优采用最新的布谷鸟(CuckooSearch，CS)算法，能够对存在不可导点的目标函数进行优化，并且其特有的巢寄生行为和莱维飞行特性使得该搜索算法具有更优的搜索路径和更强的全局搜索能力，可以避免陷入局部最优。2、采用FHA法进行建模，避免了模态分析法的复杂性，更适用于工程设计。3、LLC谐振变换器的建模直接选择谐振电感和励磁电感为自变量，而非转化为通常的电感比和品质因素，更直观的反映了谐振参数对变换器各项性能的影响。附图说明图1为实施例中半桥LLC谐振变换器主电路拓扑结构示意图；图2为实施例LLC谐振变换器交流等效电路图；图3为固定n和Lr，励磁电感Lm取不同值时谐振变换器的直流增益曲线；图4为固定n和Lm，谐振电感Lr取不同值时的直流增益曲线；图5为不同Lm对确保实现ZVS的最小频率的影响；图6为不同Lr对确保实现ZVS的最小频率的影响；图7为励磁电流，原、副边电流和三者之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法，所述LLC谐振变换器包括依次连接的方波发生器、谐振网络、高频变压器和整流网络，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、利用基波分析法得到LLC谐振变换器电路的等效电路；S2、确定等效电路中谐振电感和励磁电感之间的约束条件；S3、建立布谷鸟算法的适应度函数，利用布谷鸟算法确定最优的一组谐振电感和励磁电感的取值，再确定谐振电容的取值。

【技术特征摘要】
1.一种基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法，所述LLC谐振变换器包括依次连接的方波发生器、谐振网络、高频变压器和整流网络，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、利用基波分析法得到LLC谐振变换器电路的等效电路；S2、确定等效电路中谐振电感和励磁电感之间的约束条件；S3、建立布谷鸟算法的适应度函数，利用布谷鸟算法确定最优的一组谐振电感和励磁电感的取值，再确定谐振电容的取值。2.根据权利要求1所述的基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：利用基波分析法将LLC谐振变换器电路的副边电路等效到原边得到等效电路。3.根据权利要求1所述的基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：S21、根据直流电压增益与归一化频率之间的函数关系，以及设计规格所要求的最大和最小直流增益，确定等效电路中谐振电感和励磁电感之间的第一约束条件；S22、根据确保谐振网络的输入阻抗始终呈现为感性的条件，确定等效电路中谐振电感和励磁电感之间的第二约束条件；S23、根据在死区时间内，励磁电流峰值足够大能将管子的结电容端压释放到零，并且在整个死区时间内放电电流不改变方向的条件，确定等效电路中谐振电感和励磁电感之间的第三约束条件。4.根据权利要求3所述的基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于，所述第一约束条件包括：G(fn_min)≥Gmax且Gmin≥G(fn_max)，其中，G(fn_min)为归一化频率的最小值对应的LLC谐振变换器实际所能达到的最大直流增益，G(fn_max)为归一化频率的最大值对应的LLC谐振变换器实际所能达到的最小直流增益，Gmax和Gmin分别为设计规格所要求的最大和最小直流增益。5.根据权利要求3所述的基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于，所述第二约束条件包括：tanθ＞0其中，θ为谐振网络的输入阻抗角。6.根据权利要求3所述的基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于，所述第三约束条件包括：其中，Lr、Lm分别为等效电路中的谐振电感和励磁电感，Coss为开关管的结电容，Im_peak为励磁电感峰值电流，Vin为输入电压，Ts为开关周期，Tdead为死区时间。7.根据权利要求1所述的基于布谷鸟算法的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3中布谷鸟算法的适应度函数为：minF(Lm,Lr)＝Ip_rms+Im_r...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴琦娜，帅禄玮，江友华，曹以龙，赵方平，王文吉，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31