基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法。该方法包括：构建包含Flyback变换器、分数阶电感和分数阶电容的电路，根据电路获取Flyback变换器在分数阶电感电流断续模式下的多种工作状态；计算不同工作状态下的Flyback变换器对应的工作状态方程，并根据所有的工作状态方程计算Flyback变换器的状态平均模型；根据状态平均模型计算Flyback变换器的第一传递函数，并采用分数阶PI

【技术实现步骤摘要】
基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子
，尤其涉及一种基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法。

技术介绍

[0002]光伏和风电等新能源发电得到快速发展，与传统电磁型设备相比，以半导体器件为代表的电力电子设备具有体积小、功耗小和效率高等优势，被广泛应用于军工设备、通讯设备、智能电网柔性电力设备以及工控设备等领域，其核心主要为变换器，如Flyback变换器，具有可靠、低成本、转换效率高、输入电压范围大、可实现电磁隔离等突出优点，具有显著的技术经济竞争优势。建模和控制技术是Flyback变换器应用的基础，但由于Flyback变换器存在储能电容、电感以及电磁耦合变压器环节，属于高阶系统，存在建模难度大、建模准确度低的问题，也为控制系统的设计带来困难。开关变换器中存在着常见的储能元件电容、电感和变压器等。由于开关变换器在运行过程中存在着震荡、响应速度慢和静差的问题，因此，通常使用控制器对开关变换器进行控制。
[0003]中国专利技术专利说明书CN113179021B公开了一种基于Flyback
‑
Class E变换器的两开关交直流LED驱动装置，采用整数阶电容、电感构建Flyback变换器作为功率因数校正单元。而实际的电容和电感是近似理想型整数，比如基于整数1的建模，那么包含Flyback变换器的整数阶模型这类元件的电路系统特性必然会受到元件阶次的影响。因此，使用整数阶的电容和电感描述开关变换器的特性会与实际元器件特性一致性较低，影响变换器的设计效果。此外，整数阶PI控制的参数存在动态响应差，在输入电压扰动或者负载扰动下可能会产生达到稳态时间过长或者输出电压失稳等问题，使得变换器的控制效果较差。
[0004]因此，目前亟需一种能够对Flyback变换器进行精确控制的控制方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供了一种基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法，以解决现有技术中开关变换器控制效果差的问题。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法，包括：
[0007]构建包含Flyback变换器、分数阶电感和分数阶电容的电路，根据所述电路获取所述Flyback变换器在分数阶电感电流断续模式下的多种工作状态；
[0008]计算不同工作状态下的所述Flyback变换器对应的工作状态方程，并根据所有的所述工作状态方程计算所述Flyback变换器的状态平均模型；
[0009]根据所述状态平均模型计算所述Flyback变换器的第一传递函数，并采用分数阶PI
λ
控制策略对所述第一传递函数进行变换，得到所述Flyback变换器控制系统的开环传递函数；
[0010]采用粒子群优化算法对所述开环传递函数进行参数组合寻优，将寻优得到的参数
组合应用到预设分数阶PI
λ
控制器中，得到用于分数阶Flyback变换器的分数阶PI
λ
控制器。
[0011]本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本申请实施例，考虑到电感和电容的分数阶性质，在分数阶电感和分数阶电容的基础上，建立了基于分数阶电感和分数阶电容的Flyback变换器分数阶模型，不但增添了Flyback变换器的可调阶次，还避免了传统的整数阶开关变换器所在的电路系统特性受到元件阶次影响的问题。此外，基于分数阶电感和分数阶电容的Flyback变换器分数阶模型方法搭建的元器件仿真模型更加接近元器件的实际特性。因此，基于上述方法制造的电力电子设备在电力系统中应用更加可靠。
[0012]其次，本专利技术还采用了分数阶PI
λ
控制对Flyback变换器分数阶模型进行控制。相比于传统的PI控制，本实施例提供的分数阶PI
λ
控制增加了可调节的分数阶微积分参数λ，可以很好的解决传统PI控制存在的动态响应差、达到稳态时间过长或者输出电压失稳等问题。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。
[0014]图1是本专利技术实施例提供的基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法的实现流程图；
[0015]图2(a)是本专利技术实施例提供的电感的分数阶等效电路图；
[0016]图2(b)是本专利技术实施例提供的电容的分数阶等效电路图；
[0017]图3是本专利技术实施例提供的包含Flyback变换器、分数阶电感和分数阶电容的电路；
[0018]图4是本专利技术实施例提供的电路的脉冲宽度调制和分数阶电感电流随时间变化的波形图；
[0019]图5是本专利技术实施例提供的粒子群优化算法的实现流程图；
[0020]图6是本专利技术实施例提供的分数阶PI
λ
控制器与整数阶PI控制器的对比实验的实现流程图；
[0021]图7是本专利技术实施例提供的整数阶PI控制和分数阶PI
λ
控制下的系统阶跃响应示意图；
[0022]图8是本专利技术实施例提供的整数阶PI控制和分数阶PI
λ
控制下的负载扰动时系统的动态响应示意图；
[0023]图9是本专利技术实施例提供的整数阶PI控制和分数阶PI
λ
控制下的输入电压扰动时的系统瞬态响应示意图；
[0024]图10是本专利技术实施例提供的基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制装置的结构示意图；
[0025]图11是本专利技术实施例提供的终端的示意图。
具体实施方式
[0026]以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本专利技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本专利技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本专利技术的描述。
[0027]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
[0028]图1为本专利技术实施例提供的基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法的实现流程图，详述如下：
[0029]步骤101，构建包含Flyback变换器、分数阶电感和分数阶电容的电路，根据电路获取Flyback变换器在分数阶电感电流断续模式下的多种工作状态。
[0030]图2(a)和图2(b)给出了本专利技术实施例提供的电感和电容的分数阶等效电路图。
[0031]在一些实施例中，对图2(a)和图2(b)分别进行分析，得到分数阶电感和分数阶电容的一些相关参数，例如分数阶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法，其特征在于，包括：构建包含Flyback变换器、分数阶电感和分数阶电容的电路，根据所述电路获取所述Flyback变换器在分数阶电感电流断续模式下的多种工作状态；计算不同工作状态下的所述Flyback变换器对应的工作状态方程，并根据所有的所述工作状态方程计算所述Flyback变换器的状态平均模型；根据所述状态平均模型计算所述Flyback变换器的第一传递函数，并采用分数阶PI
λ
控制策略对所述第一传递函数进行变换，得到所述Flyback变换器控制系统的开环传递函数；采用粒子群优化算法对所述开环传递函数进行参数组合寻优，将寻优得到的参数组合应用到预设分数阶PI
λ
控制器中，得到用于分数阶Flyback变换器的分数阶PI
λ
控制器。2.根据权利要求1所述的基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法，其特征在于，所述根据所述电路获取所述Flyback变换器在分数阶电感电流断续模式下的多种工作状态，包括：当所述Flyback变换器的运行时间大于0且所述Flyback变换器的运行时间不大于d1T，且所述电路的脉冲宽度调制处于高电平、功率开关管导通及二极管断开时，标记所述Flyback变换器处于第一工作状态；当所述Flyback变换器的运行时间大于d1T且所述Flyback变换器的运行时间不大于(d1+d2)T，且所述电路的脉冲宽度调制为低电平、功率开关管断开及二极管导通时，标记所述Flyback变换器处于第二工作状态；当所述Flyback变换器的运行时间大于(d1+d2)T且所述Flyback变换器的运行时间不大于T，且所述电路的脉冲宽度调制为低电平、功率开关管断开及二极管断开时，标记所述Flyback变换器处于第三工作状态；其中，d1表示占空比，d2表示电感电流从最大值下降到零的时间与周期的比值，T表示功率开关管的一个开关周期。3.根据权利要求2所述的基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法，其特征在于，所述计算不同工作状态下的所述Flyback变换器对应的工作状态方程，包括：根据计算所述Flyback变换器第一工作状态下的第一工作状态方程；根据计算所述Flyback变换器第二工作状态下的第二工作状态方程；
根据计算所述Flyback变换器第三工作状态下的第三工作状态方程；其中，i
m
表示分数阶电感的电流，u
in
表示Flyback变换器稳态时的输入电压，u
c
表示Flyback变换器稳态时的输出电压，L
m
表示分数阶电感，α表示分数阶电感的阶次，C表示分数阶电容，β表示分数阶电容的阶次，R表示负载阻抗，d表示求导符号，t表示Flyback变换器的运行时间，n表示变压器变比。4.根据权利要求3所述的基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法，其特征在于，所述根据所有的所述工作状态方程计算所述Flyback变换器的状态平均模型，包括：采用状态空...

【专利技术属性】
技术研发人员：李倩，吴宏波，史善哲，孙增杰，杨丽，王健，李翀，韩永禄，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：