一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法

技术领域

本发明涉及浮地交错变换器的技术领域，尤其是涉及一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法。

背景技术

由于能源需求的日益增长与化石燃料的日渐耗尽，新能源发电系统受到了越来越多的研究关注，通常需要直流升压变换器来作为能源和负载的接口，提供稳定且匹配负载需求的输出电压。浮地交错直流升压变换器因其满足较高的功率等级要求、开关应力小、输入电流纹波小、功率密度大等优点得到了广泛的应用，变换器主要组成部分的功率半导体器件是电力电子变换装置中最脆弱的环节，长时间工作下经常发生故障，故障主要表现为开关开路故障。变换器输入电流纹波对新能源发电系统的输出特性和使用寿命有很大的影响。变换器在发生开关开路故障后，会由于电路拓扑发生变化导致输入电流纹波显著增大，对新能源发电系统产生诸多危害。传统上，减小电流纹波的方法是增大变换器中使用的电感的尺寸，但其缺点是会增大变换器的体积和硬件成本，不仅降低了变换器功率密度，还限制了新能源发电系统的应用场景。目前有提出一种针对四相浮地交错变换器故障后以一次谐波消除为目标求解优化相位角并进行开关控制信号相位角重新配置的方法，对于特定的拓扑结构取得了一定的优化效果，但是此方法对于其他相数的浮地交错变换器和更高次数的谐波优化无能为力，不具有一般性且优化效果有限，仍不能很好地解决开关故障导致的输入电流纹波增大的问题，因此，提供了一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法，针对发生开关故障的浮地交错变换器，在不增加变换器的体积和硬件成本的情况下，减小开关开路故障后变换器的输入电流纹波，提升新能源发电系统的工作效率和使用寿命，同时该方法可以应用在任意相数的浮地交错变换器上，且优化效果明显优于现有技术，克服现有技术在浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方面的不足。

为实现上述目的，本发明提供了一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法，包括以下步骤：

S1：采集变换器的相应参数；

S2：使用步骤S1中采集的相应参数，得到各相电感的电流的时域表达式，对各相电感的电流的时域表达式进行傅立叶分解，计算傅立叶级数参数；

S3：计算电感的电流n次谐波分量的幅值和相位角；

S4：使用m相电路间相位角

;

上式中，

S5：叠加m相电感的电流的谐波分量，得到输入电流的各次谐波分量表达式，用输入电流前n次谐波分量的有效值来计算输入电流总谐波分量，得到输入电流总谐波分量的公式模型

S6：以输入电流总谐波分量公式模型作为目标函数，使用粒子群优化算法，迭代寻找使发生开关故障后的浮地交错变换器输入电流纹波值最小的最优相位角；

S7：使用步骤S6中的最优相位角配置变换器各相电路之间的开关控制信号相位角。

优选的，所述步骤S1中，采集的相关参数包括变换器输入电压V

优选的，所述步骤S2中，各相电感的电流的时域表达式如下：

;

上式中，

优选的，所述步骤S2中，利用以下公式计算出各相电感的电流的傅立叶级数参数：

;

上式中，

优选的，所述步骤S3中，计算电感的电流n次谐波分量的幅值和相位角的公式如下：

;

上式中，

优选的，所述步骤S5中，输入电流的各次谐波分量表达式如下：

上式中，

优选的，所述步骤S5中，输入电流总谐波分量的公式模型如下：

上式中，n和m选择正整数，n表示傅立叶分解后的谐波次数，m表示变换器的相数。

因此，本发明采用上述方法的一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法，具有以下好处：

（1）在本发明中，相比于传统方法中增大变换器中电感尺寸的方法，本发明的技术方案中不增加变换器的体积和硬件成本，而是在发生故障后通过重新配置信号相位角，从而具有更好的可实现性和应用价值。

（2）在本发明中，相比于现有针对特定变换器求解并重新配置优化相位角的方法，本发明的方法能快速准确地求解出使输入电流纹波最小的最优重配置相位角，能显著降低发生开关故障后浮地交错变换器的输入电流纹波，对提升新能源发电系统的工作效率和使用寿命有重要作用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法的流程图；

图2为本发明一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法中粒子群优化算法的流程图；

图3为本发明一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法中仿真实验的电路图；

图4为本发明一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法中开关故障发生后不进行优化的输入电流波形图；

图5为本发明一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法中开关故障发生后针对一次谐波模型进行优化的输入电流波形图；

图6为本发明一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法中开关故障发生后针对前两次谐波模型进行优化的输入电流波形图；

图7为本发明一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法中开关故障发生后不进行优化的各次谐波分量幅值对比图；

图8为本发明一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法中开关故障发生后针对一次谐波模型进行优化的各次谐波分量幅值对比图；

图9为本发明一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法中开关故障发生后针对前两次谐波模型进行优化的各次谐波分量幅值对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。具体的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。

实施例

如图1所示，本发明提供一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法，包括以下步骤：

S1：采集变换器的相应参数，采集的相关参数包括变换器输入电压V

S2：使用步骤S1中采集的相应参数，得到各相电感的电流的时域表达式，各相电感的电流的时域表达式如下：

;

上式中，

对各相电感的电流的时域表达式进行傅立叶分解，计算傅立叶级数参数，利用以下公式计算出各相电感的电流的傅立叶级数参数：

;

上式中，

S3：计算电感的电流n次谐波分量的幅值和相位角，计算电感的电流n次谐波分量的幅值和相位角的公式如下：

;

上式中，

S4：使用m相电路间相位角

;

上式中，

S5：叠加m相电感的电流的谐波分量，得到输入电流的各次谐波分量表达式，输入电流的各次谐波分量表达式如下：

上式中，

用输入电流前n次谐波分量的有效值来计算输入电流总谐波分量，得到输入电流总谐波分量的公式模型

;

上式中，n和m选择正整数，n表示傅立叶分解后的谐波次数，m表示变换器的相数。

S6：以输入电流总谐波分量公式模型作为目标函数，使用粒子群优化算法，迭代寻找使发生开关故障后的浮地交错变换器输入电流纹波值最小的最优相位角；

S7：使用步骤S6中的最优相位角配置变换器各相电路之间的开关控制信号相位角。

在具体的仿真试验中先设置相应的实验电路条件，浮地交错变换器为一种常用于燃料电池的四相浮地交错直流升压变换器，其电路拓扑结构图如图3所示，变换器通过双闭环控制器来实现获得稳定输出电压且各相间电流相等的效果，具体是采集输出电压和各相电感的电流后通过PI控制器计算输出各开关的占空比来进行控制。实验中变换器通过升压要达到的负载两端输出电压为72V，变换器的参数为开关频率25kHz，电感L1=L2=L3=L4=150μＨ，电容C1=C2=470μF，电阻R=52Ω。

具体试验的步骤如下：

在仿真中模拟四相浮地交错直流升压变换器发生开关开路故障，即第四路处于开路状态，剩下三路在双闭环控制器的作用下正常工作，由于变换器在健康模式下为了获得最小输入电流纹波一般都使用均匀相位配置，所以在故障发生后不进行优化的对照组内使用0°、180°、90°的相位角；然后根据本发明提出的方法进行输入电流纹波值的公式模型，分别建立一次谐波模型和前两次谐波模型，通过粒子群算法求解后得到两种模型的最优相位角，再分别将两组角度放回到变换器中进行各相电路间开关控制信号相位角的重新配置，记录三组实验的输入电流波形和各次谐波分量的幅值对比图。其中针对一次谐波模型进行粒子群算法求解的结果，与现有技术以一次谐波消除为目标求解优化相位角的结果相同，可以据此结果与现有技术的优化效果相对比。

S1：采集变换器的相关参数，设定变换器输入电压V

S2：根据变换器电路结构原理，结合上述数据，得到各相电感的电流的时域表达式如下：

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上式中，

对时域表达式进行傅立叶分解，利用以下公式计算出各相电感的电流的傅立叶级数参数：

;

上式中，

S3：计算电感的电流n次谐波分量的幅值和相位角，公式如下：

;

上式中，

S4：将m相电路间相位角

;

上式中，

S5：叠加剩余工作的三相电感的电流的谐波分量，得到输入电流的谐波分量表达式，输入电流的各次谐波分量表达式如下：

;

上式中，

以输入电流一次谐波分量的幅值作为输入电流总谐波分量的一次谐波模型

;

用输入电流前两次谐波分量的有效值计算输入电流总谐波分量的前两次谐波模型

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根据实际应用时的需求和情况不同，可以调节目标函数中采用的谐波分量次数，由于输入电流谐波分量的幅值随着谐波次数的增加逐渐减小，实际采用前两次谐波分量幅值模型的效果即可与总谐波分量相当，得到输入电流纹波非常低的优化结果。

S6：分别以步骤S5中的两组模型为目标函数，利用粒子群优化算法，如图2，迭代寻找使发生开关故障后的浮地交错变换器输入电流纹波值最小的最优相位角，在本实例的粒子群算法中，使用20个粒子迭代50次的结果作为求解出的最优相位角。

S7：将求解得到的两组角度分别放回到变换器中进行各相电路间开关控制信号相位角的重新配置。

综上实验过程中，初始的相位角为0°、180°、90°；一次优化的相位角是0°、131.58°、279.22°；二次优化的相位角是0°、118.69°、272.77°。

如图4-9，是实验的结果图，图4是开关故障发生后不进行优化的输入电流波形图，图5为开关故障发生后针对一次谐波模型进行优化的输入电流波形图，图6是开关故障发生后针对前两次谐波模型进行优化的输入电流波形图。

图7是开关故障发生后不进行优化的各次谐波分量幅值对比图，图8开关故障发生后针对一次谐波模型进行优化的各次谐波分量幅值对比图，图9开关故障发生后针对前两次谐波模型进行优化的各次谐波分量幅值对比图。

因此在浮地交错变换器开关故障发生后，如果不进行优化，输入电流纹波较大，一次谐波分量的幅值为0.77，前两次谐波分量幅值的有效值为1.07，测量得总输入电流纹波为2.69A。

开关故障发生后针对一次谐波模型进行优化，得到使输入电流纹波最小的最优相位角为0°、131.58°、279.22°，此时的输入电流一次谐波分量的幅值为1.78

开关故障发生后针对前两次谐波模型进行优化，最终得到使输入电流纹波最小的最优相位角为0°、118.69°、272.77°，此时的输入电流前两次谐波分量幅值的有效值为0.301，测量得总输入电流纹波为1.13A。

在进行最优相位角的重新配置后，针对一次谐波模型进行优化和针对前两次谐波模型进行优化比不进行优化时总输入纹波分别减小了49.44%和57.99%，优化效果明显，同时也可以看出，所提优化方法在求解效率和优化效果上优于现有技术。

因此，本发明采用一种浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方法，针对发生开关故障的浮地交错变换器，在不增加变换器的体积和硬件成本的情况下，减小开关开路故障后变换器的输入电流纹波，提升新能源发电系统的工作效率和使用寿命，同时该方法可以应用在任意相数的浮地交错变换器上，且优化效果明显优于现有技术，克服现有技术在浮地交错变换器故障后输入电流纹波优化方面的不足。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。