一种基于改进鲸鱼优化算法的图腾柱无桥BoostPFC双闭环PI参数优化方法

本发明涉及电力电子变换器控制，尤其涉及一种基于改进鲸鱼优化算法的图腾柱无桥boost pfc双闭环pi参数优化方法。

背景技术：

1、随着新能源汽车和大功率电力电子设备的发展，车载充电机作为连接交流电网与动力电池的重要能量转换接口，其功率因数、电流谐波和动态响应性能直接影响电网侧电能质量及充电系统稳定性。图腾柱无桥boost pfc电路相比传统有桥boost pfc电路减少了功率传输路径中的导通器件数量，具有导通损耗低、效率高和功率密度高等优点，适用于车载充电机前级功率因数校正场景。

2、目前，图腾柱无桥boost pfc电路通常采用电压外环和电流内环组成的双闭环pi控制结构，其中电压外环用于维持直流母线电压稳定，电流内环用于使输入电流跟随输入电压变化。然而，传统pi参数整定多依赖工程经验或试凑方法，存在整定过程繁琐、参数适应性不足等问题，难以在不同工况下兼顾母线电压动态响应、稳态精度和输入电流总谐波失真率。

3、现有智能优化算法若仅采用电压误差、超调量和thd等指标的线性加权方式构造适应度函数，可能导致优化算法为了获得较低的输入电流thd而选择过小的电压环参数，使直流母线电压无法稳定到参考值；也可能由于固定时间截取输入电流数据计算thd，将系统暂态过程误认为稳态过程，从而得到不准确的thd评价结果。此外，当调节时间惩罚项在适应度函数中占比过大时，优化算法可能过度追求母线电压快速响应，而影响电流内环对工频正弦电流的跟踪性能，导致输入电流总谐波失真率难以进一步降低。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：为了解决现有图腾柱无桥boost pfc电路双闭环控制中pi参数依赖人工经验整定、整定过程繁琐、参数适应性不足的问题，以及现有智能优化算法在进行pi参数寻优时容易因适应度函数设计不合理而导致母线电压动态响应、稳态误差和输入电流总谐波失真率难以兼顾的问题，本发明提供一种基于改进鲸鱼优化算法的图腾柱无桥boost pfc双闭环pi参数优化方法，通过设置母线电压稳态判别与未稳态惩罚机制，并采用动态稳态窗口识别方法确定输入电流总谐波失真率的计算区间，构建适用于图腾柱无桥boost pfc双闭环pi参数整定的约束型适应度函数，实现电压外环与电流内环pi参数的联合寻优，提高pi参数优化结果的工程有效性和系统综合控制性能。适用于车载充电机前级功率因数校正电路的控制参数整定、母线电压稳定控制以及输入电流谐波抑制。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于改进鲸鱼优化算法的图腾柱无桥boost pfc双闭环pi参数优化方法，包括如下步骤：

3、s1、建立图腾柱无桥boost pfc主电路模型；

4、s2、基于所述图腾柱无桥boost pfc主电路模型，构建电压外环和电流内环组成的双闭环pi控制模型，所述电压外环用于根据所述图腾柱无桥boost pfc主电路模型中直流母线电压与直流母线参考电压之间的误差生成输入电流参考，所述电流内环用于根据所述图腾柱无桥boost pfc主电路模型中输入电流与所述输入电流参考之间的误差生成占空比控制量；

5、s3、选取所述双闭环pi控制模型中的电流内环比例系数、电流内环积分系数、电压外环比例系数和电压外环积分系数作为待优化变量，将该组待优化变量编码构成构成鲸鱼优化算法的鲸鱼个体位置向量；四种所述待优化变量共同组成一组pi参数；

6、s4、构建用于评价所述pi参数优劣的约束型适应度函数，所述约束型适应度函数包括直流母线电压动态误差评价项、输入电流总谐波失真率评价项、直流母线电压超调量评价项、效率评价项和约束惩罚项；

7、s5、采用改进鲸鱼优化算法对所述pi参数进行迭代寻优，根据所述约束型适应度函数计算各鲸鱼个体的综合适应度值，并根据所述综合适应度值更新改进鲸鱼优化算法中鲸鱼种群位置，获得最优pi参数；

8、s6、将所述最优pi参数写入双闭环pi控制模型中，实现直流母线电压稳定控制和输入电流谐波抑制。

9、本方案基于采用改进鲸鱼优化算法结合约束型适应度函数完成双闭环pi参数联合寻优，摒弃传统人工试凑整定方式，整定效率更高；可综合兼顾直流母线电压动态响应、稳态精度、电能转换效率与输入电流谐波指标，有效提升图腾柱无桥boost pfc电路的综合控制性能，适配车载充电机的实际工况需求。所述方法用于车载充电机前级功率因数校正电路，通过优化电压外环和电流内环pi参数，使输入电流跟随输入电压变化，并降低输入电流总谐波失真率。

10、在其中一些实施例中，在所述步骤s1中，所述图腾柱无桥boost pfc主电路模型包括：

11、交流输入电源，配置为提供工频交流输入电压；

12、升压电感，串联于所述交流输入电源的输出端，用于实现能量存储并对输入电流进行整形，以实现功率因数校正；

13、功率变换单元，包括高频桥臂与工频桥臂，所述高频桥臂包括第一开关管和第二开关管，所述工频桥臂包括第三开关管和第四开关管，各开关管配置为按预设时序导通/关断，以实现电能变换与续流；

14、直流母线电容，并联于所述功率变换单元的输出端，用于稳定输出直流母线电压；

15、负载，并联于所述直流母线电容两端，配置为模拟车载充电机后级负载或等效直流负载。

16、图腾柱无桥boost pfc主电路模型采用已公开的图腾柱无桥boost pfc主电路拓扑结构作为被控对象，贴合实际工程使用需求。

17、在其中一些实施例中，在所述步骤s2中，所述双闭环pi控制模型采用图腾柱无桥boost pfc电路中常用的电压外环和电流内环控制结构，包括电压外环pi控制器、电流内环pi控制器、交流输入电压同步模块、正弦电流参考生成模块以及pwm驱动模块。

18、图腾柱无桥boost pfc电路包括图腾柱无桥boost pfc主电路（图腾柱无桥boostpfc主电路模型），以及由电压外环和电流内环组成的双闭环pi控制电路（双闭环pi控制模型）。

19、所述电压外环用于采集所述直流母线电压，并将其与直流母线参考电压进行比较，得到电压误差；所述电压误差经电压外环pi控制器调节后生成电流幅值指令；所述电流幅值指令与输入电压同相位的正弦同步信号相结合，生成输入输入电流参考；

20、电流内环采集输入电流，并将其与所述输入电流参考进行比较，得到电流误差；所述电流误差经所述电流内环pi控制器调节后生成占空比控制量，再经所述双闭环pi控制模型中pwm驱动模块输出开关管驱动信号。

21、本方案通过构建双闭环pi控制模型作为被控对象的标准控制平台，为后续改进鲸鱼优化算法的pi参数寻优提供稳定、可复现的控制载体。

22、在其中一些实施例中，所述步骤s3中，所述位置向量表示为：

23、

24、其中，为电流内环比例系数，为电流内环积分系数，为电压外环比例系数，为电压外环积分系数。

25、在其中一些实施例中，在所述步骤s4中，所述约束惩罚项包括母线电压未稳态惩罚、欠调惩罚和调节时间超阈值惩罚。

26、通过设置母线电压未稳态、欠调、调节时间超阈值三类约束惩罚项，对优化过程进行多维度约束，避免算法片面优化单一指标，保障直流母线电压的稳态精度与动态响应性能。

27、所述输入电流总谐波失真率评价项采用动态稳态窗口识别，用于确定输入电流总谐波失真率的计算区间。

28、采用动态稳态窗口识别方式划定输入电流总谐波失真率计算区间，区分系统（图腾柱无桥boost pfc电路）暂态与稳态工况，提升输入电流总谐波失真率评价结果的准确性，保障pi参数优化效果真实可靠。

29、在其中一些实施例中，所述约束型适应度函数表示为：

30、

31、其中，为综合适应度值；为直流母线电压动态误差评价项；为输入电流总谐波失真率评价项；为直流母线电压超调量评价项；为效率评价项，为约束惩罚项，分别为对应评价项的权重系数。

32、约束型适应度函数通过多评价项加权+约束惩罚项的复合结构，实现了pi参数的多目标协同优化，从根本上解决了传统线性加权适应度函数顾此失彼的缺陷，同时提升了优化结果的工程有效性与鲁棒性。

33、在其中一组实施例中，所述改进鲸鱼优化算法的迭代寻优过程包括：

34、初始化鲸鱼种群数量、最大迭代次数、pi参数搜索边界和约束型适应度函数权重系数，并将预设基准pi参数加入初始种群；

35、对种群内各鲸鱼个体对应的pi参数进行仿真计算，获得直流母线电压、输入电流、输入功率和输出功率数据；

36、在适应度评价过程中，先进行直流母线电压稳态判别，对未满足稳态要求（母线电压未稳态）的个体施加惩罚，并通过动态稳态窗口识别确定输入电流总谐波失真率的计算区间；结合直流母线电压动态误差评价项、输入电流总谐波失真率评价项、直流母线电压超调量评价项、效率评价项和约束惩罚项计算综合适应度值；

37、根据鲸鱼优化算法的位置更新机制和边界约束机制更新个体位置，重复迭代直至满足最大迭代次数，输出综合适应度值最小的pi参数作为最优pi参数。

38、本方案在现有鲸鱼优化算法基础上，通过引入预设基准pi参数初始化种群，减少了算法迭代次数，加快收敛速度，同时避免了随机初始种群导致的局部最优问题，提升了寻优结果的可靠性与稳定性；约束型适应度函数内置多重惩罚项，强制算法同时兼顾直流母线电压稳态精度、动态响应、输入电流谐波抑制与运行效率，突破了传统线性加权优化中“为压低thd牺牲电压稳定性、为追求响应速度恶化电流波形”的固有矛盾。边界约束机制保证优化后的pi参数始终处于合理物理区间，避免参数超限导致的系统失稳。

39、在其中一些实施例中，在所述步骤s6中，所述最优pi参数通过离线寻优获得，离线寻优完成后，将获得的所述电流内环比例系数、电流内环积分系数、电压外环比例系数和电压外环积分系数写入所述电压外环pi控制器、电流内环pi控制器中，用于后续稳态运行和输入电压扰动工况运行。

40、本发明的有益效果是：

41、1、本发明采用改进鲸鱼优化算法对图腾柱无桥boost pfc电路的电压外环和电流内环pi参数进行联合寻优，将电流内环比例系数、电流内环积分系数、电压外环比例系数和电压外环积分系数同时作为待优化变量，能够在全局搜索范围内寻找综合适应度较优的pi参数，减少人工试凑pi参数带来的不确定性，并提高双闭环控制参数整定效率。

42、2、本发明在适应度评价过程中引入母线电压稳态判别和欠调惩罚机制，能够对直流母线电压未达到稳态要求的pi参数进行约束，避免在母线电压未满足参考电压要求时得到虚假低thd评价结果，提高优化结果的工程有效性。

43、3、本发明采用动态稳态窗口识别方法确定输入电流总谐波失真率的计算区间，不再依赖固定时间点截取电流数据，能够避免暂态电流数据参与thd评价，提高谐波评价的准确性和稳定性。

44、4、本发明在调节时间评价中采用低权重软约束，并在调节时间超过预设时间时生成调节时间超阈值惩罚项，将所述调节时间超阈值惩罚项计入约束惩罚项，使优化算法在满足母线电压动态响应要求的同时，进一步兼顾输入电流总谐波失真率，避免调节时间指标在综合适应度评价中占据过大比重而导致优化方向偏移。

45、5、本发明能够在保证直流母线电压稳定和动态响应性能的同时，改善输入电流跟随输入电压的能力，降低输入电流总谐波失真率，提高图腾柱无桥boost pfc电路的综合控制性能。