基于Flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法与流程

基于flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.中国发明专利说明书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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.第一方面，本发明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：
7.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；
8.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；
9.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；
10.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。
11.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本技术实施例，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。
12.其次，本发明还采用了分数阶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
13.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
14.图1是本发明实施例提供的基于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；
15.图2(a)是本发明实施例提供的电感的分数阶等效电路图；
16.图2(b)是本发明实施例提供的电容的分数阶等效电路图；
17.图3是本发明实施例提供的包含flyback变换器、分数阶电感和分数阶电容的电路；
18.图4是本发明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；
19.图5是本发明实施例提供的粒子群优化算法的实现流程图；
20.图6是本发明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；
21.图7是本发明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；
22.图8是本发明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；
23.图9是本发明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；
24.图10是本发明实施例提供的基于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；
25.图11是本发明实施例提供的终端的示意图。
具体实施方式
26.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，以便透彻理解本发明实施例。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发明。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发明的描述。
27.为使本发明的目的、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。
28.图1为本发明实施例提供的基于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：
29.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。
30.图2(a)和图2(b)给出了本发明实施例提供的电感和电容的分数阶等效电路图。
31.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，例如分数阶电感和分数阶电容分别对应的伏安关系、分数阶电感的导纳和分数阶电容的阻抗。
32.引入阶次α对感值l进行修正，之后根据得到分数阶电感的伏安关系。
33.其中，u
l
为分数阶电感电压，im为分数阶电感的电流，l
α
为分数阶电感，d表示求导符号，t1表示分数阶电感的运行时间，α表示分数阶电感的阶次。
34.此外，考虑到电容的阻抗以及等效串联电阻阻值随着工作效率变化的特性，引入阶次β对容值c进行修正，之后根据得到分数阶电容的伏安关系。
35.其中，uc表示分数阶电容电压，ic表示分数阶电容电流，β表示分数阶电容的阶次，c
β
表示分数阶电容，t2表示分数阶电容的运行时间。
36.在一种可能实施方式中，可以根据如下公式求得分数阶电感的导纳，即：
[0037][0038]
在一种可能实施方式中，可以根据如下公式求得分数阶电容的阻抗，即：
[0039][0040]
其中，表示分数阶电感的导纳，li表示分数阶电感等效电路中的第i个电感，表示分数阶电感等效电路中的第p个电阻，s表示复频率，zc(s)表示分数阶电容的阻
抗，cm表示分数阶电容等效电路中的第m个电感，表示分数阶电容等效电路中的第n个电阻。
[0041]
值得一提的是，在构建包含flyback变换器、分数阶电感和分数阶电容的电路之前对分数阶电感和分数阶电容进行分析，可以更加了解分数阶电感和分数阶电容的性质，为后续与分数阶电感和分数阶电容相关的计算奠定基础。
[0042]
在一些实施例中，将flyback变换器等效为分数阶电感与理想变压器并联，并构建如图3所示的包含flyback变换器、分数阶电感和分数阶电容的电路。如图3所示，电路包括直流电压源、功率开关管、理想变压器、分数阶电感和分数阶电容。
[0043]
在一些实施例中，基于上述电路可以获取flyback变换器在分数阶电感电流断续模式下的多种工作状态，包括：
[0044]
(1)当flyback变换器的运行时间大于0且flyback变换器的运行时间不大于d1t，且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flyback变换器处于第一工作状态；
[0045]
其中，d1表示占空比，t表示功率开关管的一个开关周期。
[0046]
具体的，当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承受反向电压断开时，输入电压施加在分数阶电感的两端，分数阶电感开始储能，分数阶电感的电流增大，分数阶电容向负载供电。此时，根据分数阶电感和分数阶电容的状态标记flyback变换器处于第一工作状态。
[0047]
(2)当flyback变换器的运行时间大于d1t且flyback变换器的运行时间不大于(d1+d2)t，且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flyback变换器处于第二工作状态。
[0048]
其中，d2表示电感电流从最大值下降到零的时间与周期的比值。
[0049]
具体的，当电路的脉冲宽度调制为低电平、功率开关管断开及二极管承受正向电压导通时，分数阶电感通过理想变压器和二极管向分数阶电容及负载供电。当达到(d1+d2)t时刻时，分数阶电感的电流降为0，此时，flyback变换器处于第二工作状态，第二工作状态的持续时间为d2t。
[0050]
(3)当flyback变换器的运行时间大于(d1+d2)t且flyback变换器的运行时间不大于t，且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flyback变换器处于第三工作状态；
[0051]
具体的，当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，分数阶电容向负载供电，此时，flyback变换器处于第三工作状态，第三工作状态的持续时间为(1-d
1-d2)t。
[0052]
在一些实施例中，图4给出了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。
[0053]
为验证上述的工作状态，可以通过图4得出：
[0054]
脉冲宽度调制在0-d1t段内处于高电平，在d1t-t段内处于低电平；分数阶电感电流在0-d1t段内不断增大，在d1t-(d1+d2)t逐渐降低至0，在(d1+d2)t-t段内的电流值为0；
[0055]
因此，flyback变换器的各种工作状态划分并不存在问题。
[0056]
步骤102，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。
[0057]
在一种可能实施方式中，可以根据如下公式计算得到第一工作状态方程，即：
[0058]
式中，im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，uc表示flyback变换器稳态时的输出电压，lm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。
[0059]
在一种可能实施方式中，可以根据如下公式计算得到第二工作状态方程，即：
[0060]
其中，n表示变压器变比。
[0061]
在一种可能实施方式中，可以根据如下公式计算得到第三工作状态方程，即：
[0062]
在一些实施例中，结合第一工作状态方程、第二工作状态方程和第三工作状态方程，采用状态空间平均法，得到flyback变换器在电感电流断续模式下的状态平均模型。
[0063]
状态平均模型为
[0064]
式中，《im》表示分数阶电感的电流在一个开关周期内的平均值，《u
in
》表示flyback变换器稳态时的输入电压在一个开关周期内的平均值，《uc》表示flyback变换器稳态时的输出电压在一个开关周期内的平均值。
[0065]
需要说明的是，为更好的反映flyback变换器的工作特性，可以分离状态平均模型中的多个平均值分离成直流分量和交流分量相加，进而得到电感电流直流稳态点、输出电压的直流稳态点、电感电流从最大值下降到零的时间与周期的比值以及电感电流纹波等相关参数。
[0066]
通过得到的相关参数可以了解此次的电容参数和电感参数是否适用于flyback变
换器，此外，还可以根据得到的相关参数反推flyback变换器的电容参数、电感参数和输出电压，进而验证flyback变换器的可行性。
[0067]
因此，将《im》、《u
in
》、《uc》、d1和d2分离成对应的直流分量和交流分量。其中，对应的直流分量为i
′m、ui′n、uc′
、d1′
、d2′
，对应的交流分量为im、u
in
、uc、d1、d2。
[0068]
在一种可能实施方式中，分离状态平均模型的直流分量，得到第二状态平均模型，即：
[0069][0070]
式中，d1表示占空比的直流分量，d2表示电感电流从最大值下降到零的时间与周期的比值的直流分量。
[0071]
根据分数阶微积分方程的定义，常数im和常数uc的导数为0。因此，直流分量的状态平均模型的左侧得数为0。
[0072]
此外，利用flyback变换器工作于电感电流断续模式这一特性和伏秒平衡原理，电感电流在一个开关周期内初始和终止时刻都为零。可得分数阶电感电压在一个周期内的平均值为零，再利用分数阶电感的伏安关系可得：
[0073]
(1)电感电流的直流稳态点：
[0074]
其中，γ(
·
)表示gamma函数，im表示电感电流的直流稳态点。
[0075]
(2)输出电压的直流稳态点：
[0076]
其中，uc表示输出电压的直流稳态点。
[0077]
(3)电感电流从最大值下降到0的时间与周期的比值：
[0078]
其中，d2表示电感电流从最大值下降到0的时间与周期的比值。
[0079]
(4)电感电流纹波：
[0080]
其中，δim表示电感电流纹波。
[0081]
需要说明的是，上述(1)、(2)、(3)和(4)求得的公式，还可代入后续计算。
[0082]
步骤103，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
λ
控制策略对第一传递函数进行变换，得到flyback变换器的开环传递函数。
[0083]
在一些实施例中，可以通过分离上述状态平均模型中的交流分量，得到第三状态平均模型即小信号传递函数，对小信号传递函数进行拉普拉斯变换，进一步整理可以得到flyback变换器的第一传递函数。
[0084]
在一种可能实施方式中，小信号传递函数的公式如下式：
[0085][0086]
值得一提的是，拉普拉斯变换是工程数学中常用的一种积分变换，又名拉氏变换。拉氏变换是一个线性变换，可将一个有参数实数的函数转换为一个参数为复数s的函数。拉普拉斯变换在许多工程技术和科学研究领域中有着广泛的应用，特别是在力学系统、电学系统、自动控制系统、可靠性系统以及随机服务系统等系统科学中都起着重要作用。
[0087]
具体的，得到控制到输出的传递函数即第一传递函数的公式如下：
[0088]gud1
(s)表示第一传递函数。
[0089]
需要说明的是，此处的第一传递函数为flyback变换器的开环传递函数。
[0090]
在一些实施例中，建立基于电压负反馈的flyback变换器闭环系统，并通过gc(s)对g
ud1
(s)进行控制。其中，gc(s)表示分数阶pi
λ
控制策略的传递函数，其表达式为：gc(s)＝k
p
+kis-λ
；式中，k
p
表示比例系数，ki表示积分系数，λ表示积分阶次，且0《λ《2。
[0091]
在一些实施例中，将传递函数与第一传递函数进行点乘操作，相当于通过传递函数对第一传递函数进行控制，由此得到的flyback变换器控制系统的开环传递函数的表达式为：
[0092]go
(s)表示开环传递函数。
[0093]
步骤104，采用粒子群优化算法对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。
[0094]
在一些实施例中，步骤104的具体处理可以如下：
[0095]
步骤501，设定粒子种群的结束条件、每个粒子个体的搜索速度和位置的取值范围，其中，每个参数组合表示粒子种群中的一个粒子个体。
[0096]
需要说明的是，此处的参数组合指的是k
p
、ki和λ三个参数，且参数组合中参数的个数即粒子个体的维度数。
[0097]
本发明并不限制粒子种群的结束条件、每个粒子个体的搜索速度和位置的取值范围，以上三个条件都可根据实际需求进行调整。
[0098]
步骤502，在取值范围内初始化粒子种群中的每个粒子个体的搜索速度和位置，并将粒子个体的历史最优值对应的位置作为当前位置，将粒子种群中全局最优值对应的粒子个体位置作为当前最优位置。
[0099]
定义粒子个体的历史最优值对应的位置为pbest，定义粒子种群中全局最优值对
应的粒子个体位置为gbest。
[0100]
步骤503，根据适应度函数计算每个粒子个体的适应值。
[0101]
在一种可能实施方式中，在步骤503之前，可以根据时间乘绝对误差积分准则(integral of absolute error multiplied by time，itae)设置适应度函数。
[0102]
在一些实施例中，本发明实施例提供的适应度函数是可以自行设置的，例如，本发明提供的适应度函数添加了控制器输入的平方项以及超调量。
[0103]
如此，在适应度函数中加入采样误差绝对值的时间积分性能指标，可以使flyback变换器得到满意的动态特性；在适应度函数中加入控制器输入的平方项，可以防止控制量过大。且为了避免产生超调量，可以采用惩罚函数功能来抑制超调量，当控制器应用到系统中产生超调时，即在适应度函数中加入超调量。
[0104]
具体的，根据来计算粒子的适应度值。
[0105]
其中，j表示适应度函数，e(t)表示采样偏差值，u(t)表示分数阶pi
λ
控制器的输入量，w1、w2和w3表示权值系数，sigma表示flyback变换器闭环系统的超调量。
[0106]
步骤504，将适应值与历史最优值和全局最优值进行比较，若适应值优于历史最优值，则更新当前位置，若适应值优于全局最优值，则更新当前最优位置。
[0107]
步骤505，计算并更新每个粒子个体的位置和速度信息；
[0108]
在一些实施例中，可以根据下述公式对粒子个体的位置和速度进行更新：
[0109][0110][0111]
其中，ω表示惯量权重，c1和c2表示学习因子，和表示在[0,1]区间中的随机数，w表示维度，q表示当前粒子，v表示粒子个体的速度，表示更新后的粒子个体的位置，表示更新前的粒子个体的位置。
[0112]
步骤506，判断是否满足结束条件。
[0113]
若不满足结束条件，则跳转到前述根据适应度函数计算每个粒子个体的适应值的步骤，直至满足结束条件。
[0114]
步骤507，若满足结束条件，则输出全局最优值对应的粒子个体。
[0115]
具体的，将全局最优值对应的粒子个体作为寻优得到的参数组合，并将参数组合代入分数阶pi
λ
控制器的传递函数，得到用于分数阶flyback变换器的分数阶pi
λ
控制器。
[0116]
与其他优化算法相比，粒子群优化算法收敛速度快、参数少且算法简单容易实现，适合实值性处理。在本发明中应用粒子群优化算法，可以简单快捷的寻找到最优解。
[0117]
在一些实施例中，本发明还提供了分数阶pi
λ
控制器与整数阶pi控制器的对比实验，具体实施过程为：
[0118]
步骤601，通过matlab/simulink仿真平台，搭建仿真模型；
[0119]
步骤602，设置flyback变化器参数。flyback变化器参数参加表1。
[0120]
表1flyback变换器参数表
[0121][0122]
其中，电感型号可以选择lqg15hs2n7s02d，该型号电感的真实阶次为0.92，电容型号可以选择gjm1555c1h1r5bb01d，该型号电容的真实阶次为0.83。
[0123]
步骤603，建立分数阶pi
λ
控制下分数阶flyback变换器系统的仿真模型和整数阶pi控制下分数阶flyback变换器系统的仿真模型。
[0124]
在一些实施例中，计算当前仿真条件下分数阶pi
λ
控制器的参数，此时k
p
＝0.0923，ki＝489.3537，λ＝0.85。计算相同仿真条件下整数阶pi控制器的参数，此时，k
p
＝0.1686，ki＝505.2593。
[0125]
步骤604，计算两者的itae指标，根据itae指标判断两者的优劣。
[0126]
在一些实施例中，itae指标是兼顾了系统的动态性能和稳态性能的综合指标，itae指标越小，则说明此时系统的响应速度和稳态精度等性能更优。计算同等优化仿真情况下两者的itae指标，可以得到分数阶pi
λ
控制下的itae的性能指标值为0.00063，整数阶pi控制下的itae的性能指标值为0.00342。
[0127]
因此，相比于整数阶pi控制，分数阶pi
λ
控制下的系统性能更优。
[0128]
步骤605，计算两者分别对应各种情况下的分数阶flyback变换器系统的响应，判断两者的优劣。
[0129]
在一些实施例中，图7给出了整数阶pi控制和分数阶pi
λ
控制下的系统阶跃响应。由图7可以得到分数阶pi
λ
控制下的系统上升时间、调节时间明显比整数阶pi控制下小。此外，分数阶pi
λ
控制下的超调量在5％以内，稳态误差在0.3％以内。整数阶pi控制下的系统没有超调，但系统动态响应比较慢，有振荡，系统稳态误差大，达到3％。
[0130]
需要说明的是，分数阶pi
λ
控制效果优于整数阶pi控制得益于分数阶pi
λ
控制器多了可调节的分数阶微积分参数λ。
[0131]
在一些实施例中，图8给出了负载扰动时系统的动态响应。在系统稳定状态下，在0.025秒时减小负载，由图8可以得出负载突变瞬间，分数阶pi
λ
控制下的系统输出电压在极小幅值震荡后迅速恢复稳定，而整数阶pi控制下的系统输出电压震荡的幅值较大且恢复时间长。
[0132]
这也说明，分数阶pi
λ
控制下系统的动态降落小和恢复时间多，系统的抗负载扰动能力强。
[0133]
在一些实施例中，图9给出了输入电压扰动时的系统瞬态响应。在系统稳定状态下，在0.025秒时输入阶跃扰动(扰动电压为350v)，由图9可以看出，当输入电压有波动时，分数阶pi
λ
控制下的系统的动态降落很小且输出电压保持在设定电压左右，而整数阶pi控制下的系统的动态降落较大且输出电压大部分时间偏离了设定电压。
[0134]
这也说明，分数阶pi
λ
控制下的系统具有良好的抑制输入电压扰动的效果。
[0135]
本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，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。
[0136]
其次，本发明还采用了分数阶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。
[0137]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0138]
以下为本发明的装置实施例，对于其中未详尽描述的细节，可以参考上述对应的方法实施例。
[0139]
图10示出了本发明实施例提供的基于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，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
[0140]
如图10所示，基于flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制装置10包括：获取模块1001、计算模块1002以及寻优处理模块1003。
[0141]
获取模块1001，用于构建包含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；
[0142]
计算模块1002，用于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；
[0143]
上述计算模块1002，还用于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
λ
控制策略对第一传递函数进行变换，得到flyback变换器控制系统的开环传递函数；
[0144]
寻优处理模块1003，用于采用粒子群优化算法对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。
[0145]
在一种可能的实现方式中，获取模块1001具体用于：
[0146]
当flyback变换器的运行时间大于0且flyback变换器的运行时间不大于d1t，且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flyback变换器处于第一工作状态；
[0147]
当flyback变换器的运行时间大于d1t且flyback变换器的运行时间不大于(d1+d2)t，且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flyback变换器处于第二工作状态；
[0148]
当flyback变换器的运行时间大于(d1+d2)t且flyback变换器的运行时间不大于t，
且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flyback变换器处于第三工作状态；
[0149]
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。
[0150]
在一种可能的实现方式中，计算模块1002具体用于：
[0151]
根据计算flyback变换器第一工作状态下的第一工作状态方程；
[0152]
根据计算flyback变换器第二工作状态下的第二工作状态方程；
[0153]
根据计算flyback变换器第三工作状态下的第三工作状态方程；
[0154]
其中，im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，uc表示flyback变换器稳态时的输出电压，lm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。
[0155]
在一种可能的实现方式中，计算模块1002具体用于：
[0156]
采用状态空间平均法分别计算第一工作状态方程、第二工作状态方程和第三工作状态方程对应的平均值；
[0157]
根据所有的平均值计算flyback变换器的状态平均模型。
[0158]
在一种可能的实现方式中，计算模块1002具体用于：
[0159]
分离状态平均模型中的交流分量，得到flyback变换器的小信号传递函数；
[0160]
对小信号传递函数进行拉普拉斯变换处理，得到第一传递函数。
[0161]
在一种可能的实现方式中，计算模块1002具体用于：
[0162]
获取分数阶pi
λ
控制策略的传递函数；
[0163]
将传递函数与第一传递函数进行点乘操作，得到flyback变换器控制系统的开环传递函数。
[0164]
在一种可能的实现方式中，寻优处理模块1003具体用于：
[0165]
设定粒子种群的结束条件、每个粒子个体的搜索速度和位置的取值范围，其中，每个参数组合表示粒子种群中的一个粒子个体；
[0166]
在取值范围内初始化粒子种群中的每个粒子个体的搜索速度和位置，并将粒子个
体的历史最优值对应的位置作为当前位置，将粒子种群中全局最优值对应的粒子个体位置作为当前最优位置；
[0167]
根据分数阶pi
λ
控制策略设置适应度函数；
[0168]
根据适应度函数计算每个粒子个体的适应值；
[0169]
将适应值与历史最优值和全局最优值进行比较，若适应值优于历史最优值，则更新当前位置，若适应值优于全局最优值，则更新当前最优位置；
[0170]
计算并更新每个粒子个体的位置和速度信息，若不满足结束条件，则跳转到前述根据适应度函数计算每个粒子个体的适应值的步骤，直至满足结束条件；
[0171]
若满足结束条件，则输出全局最优值对应的粒子个体。
[0172]
在一种可能的实现方式中，状态平均模型为
[0173]
其中，《im》表示分数阶电感的电流在一个开关周期内的平均值，《u
in
》表示flyback变换器稳态时的输入电压在一个开关周期内的平均值，《uc》表示flyback变换器稳态时的输出电压在一个开关周期内的平均值。
[0174]
本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装置，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。
[0175]
其次，本发明还采用了分数阶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。
[0176]
图11是本发明实施例提供的终端的示意图。如图11所示，该实施例的终端11包括：处理器110、存储器111以及存储在存储器111中并可在处理器110上运行的计算机程序112。处理器110执行计算机程序112时实现上述各个基于flyback变换器的电力电子设备分数阶建模及控制方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤101至步骤104。或者，处理器110执行计算机程序112时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图10所示模块/单元1001至1003的功能。
[0177]
示例性的，计算机程序112可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器111中，并由处理器110执行，以完成本发明。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序112在终端11中的执行过程。例如，计算机程序112可以被分割成图10所示的模块/单元1001至1003。
[0178]
终端11可包括，但不仅限于，处理器110、存储器111。本领域技术人员可以理解，图11仅仅是终端11的示例，并不构成对终端11的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如终端还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0179]
所称处理器110可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0180]
存储器111可以是终端11的内部存储单元，例如终端11的硬盘或内存。存储器111也可以是终端11的外部存储设备，例如终端11上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，存储器111还可以既包括终端11的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器111用于存储计算机程序以及终端所需的其他程序和数据。存储器111还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0181]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0182]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0183]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

技术特征：
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：采用状态空间平均法分别计算所述第一工作状态方程、第二工作状态方程和第三工作状态方程对应的平均值；根据所有的平均值计算所述flyback变换器的状态平均模型。5.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，所述根据所述状态平均模型计算所述flyback变换器的第一传递函数，包括：分离所述状态平均模型中的交流分量，得到所述flyback变换器的小信号传递函数；对所述小信号传递函数进行拉普拉斯变换处理，得到所述第一传递函数。6.根据权利要5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，包括：获取所述分数阶pi
λ
控制策略的传递函数；将所述传递函数与所述第一传递函数进行点乘操作，得到所述flyback变换器控制系统的开环传递函数。7.根据权利要6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，包括：设定所述粒子种群的结束条件、每个粒子个体的搜索速度和位置的取值范围，其中，每个参数组合表示粒子种群中的一个粒子个体；在所述取值范围内初始化粒子种群中的每个粒子个体的搜索速度和位置，并将所述粒子个体的历史最优值对应的位置作为当前位置，将粒子种群中全局最优值对应的粒子个体位置作为当前最优位置；根据适应度函数计算每个粒子个体的适应值；将所述适应值与所述历史最优值和全局最优值进行比较，若所述适应值优于所述历史最优值，则更新当前位置，若所述适应值优于所述全局最优值，则更新当前最优位置；计算并更新每个粒子个体的位置和速度信息，若不满足所述结束条件，则跳转到前述根据所述适应度函数计算每个粒子个体的适应值的步骤，直至满足所述结束条件；若满足所述结束条件，则输出全局最优值对应的粒子个体。8.根据权利要求7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，在所述根据适应度函数计算每个粒子个体的适应值之前，还包括：根据时间乘绝对误差积分准则设置适应度函数。9.根据权利要求8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，所述根据时间乘绝对误差积分准则设置适应度函数，包括：获取所述时间乘绝对误差积分准则的初始函数；在所述初始函数中添加所述分数阶pi
λ
控制器输入量的平方项以及所述flyback变换器控制系统的超调量，得到目标函数；将所述目标函数作为所述适应度函数。10.根据权利要求4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，所述状态平均模型为其中，i
m
表示分数阶电感的电流在一个开关周期内的平均值，u
in
表示flyback变换器稳态时的输入电压在一个开关周期内的平均值，u
c
表示flyback变换器稳态时的输出电压在一个开关周期内的平均值。

技术总结
本发明提供一种基于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


技术研发人员：李倩 吴宏波 史善哲 孙增杰 杨丽 王健 李翀 韩永禄
受保护的技术使用者：国家电网有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/6