不同额定频率下BBMC主电路参数的优选方法与流程

不同额定频率下bbmc主电路参数的优选方法
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于不同频率下的bbmc主电路参数优选方法。


背景技术：

2.buck-boost矩阵变换器(buck-boost matrix converter，bbmc)是一种具有电压传输比和输出频率任意可调且可直接输出高品质正弦波的新型电力变换器。然而研究表明，在不同的额定输出频率下，bbmc的输出电压波形质量与其主电路参数桥臂电感l和电容c的选取密切相关，即当bbmc的额定输出频率发生变化时，其主电路电感和电容参数需作相应的优化调整，才能使bbmc输出电压波形的谐波失真度及bbmc实际输出电压相对于其额定输出电压的偏差达到最小，从而达到提高bbmc输出电压波形质量的目的。因此，针对bbmc不同的额定输出频率，研究确定其最优的主电路参数，进而研究其最优主电路参数与其额定输出频率间的变化规律，对于实现bbmc在不同额定输出频率下的主电路优化设计具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种不同额定频率下bbmc主电路参数的优选方法，能够实现不同额定频率等级下bbmc主电路的优化设计。
4.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
5.一种不同额定频率下bbmc主电路参数的优选方法，包括以下步骤：
6.(1)以主电路参数为优化对象，以bbmc输出电压谐波失真度及bbmc实际输出电压相对于其额定输出电压的偏差为优化目标，采用折衷规划法建立多目标优化适应度函数；
7.(2)任取某一频率作为bbmc的额定输出频率，采用樽海鞘群优化算法对bbmc主电路参数进行优化，获得一组最优的主电路参数；
8.(3)改变bbmc的额定输出频率，获得n组最优主电路参数，采用数值拟合方法获得bbmc最优主电路参数与其额定输出频率间的函数关系式，根据所述函数关系式即可确定任意额定输出频率下bbmc所对应的最优主电路参数。
9.作为上述技术方案的进一步改进：
10.优选地，所述步骤(1)中以buck-boost矩阵变换器(bbmc)主电路参数的桥臂电感l和电容c为优化对象。
11.优选地，所述步骤(1)中采用折衷规划法建立多目标优化适应度函数，具体如式(1)所示：
[0012][0013]
式中：thd为bbmc输出电压谐波失真度，δu为bbmc实际输出电压相对于其额定输出电压的偏差，h1(l,c,fe)为输出电压谐波失真度的目标函数，h2(l,c,fe)为实际输出电压相对于其额定输出电压偏差的目标函数，l、c分别为bbmc的桥臂电感和电容，fe为额定输出频率，f(l,c)为多目标优化适应度函数，w1为输出电压谐波失真度的权重系数，w2为实际输出电压相对于其额定输出电压偏差的权重系数，thd
max
为根据实际需要设定的谐波失真度最大值，δu
max
为根据实际需要设定的实际输出电压相对于其额定输出电压偏差的最大值。
[0014]
优选地，所述步骤(2)中获得一组最优的主电路参数，具体步骤如下：
[0015]
1)初始化种群：根据搜索空间每一维的上界与下界，初始化每个樽海鞘个体在上下限间的初始化值；
[0016]
2)计算初始适应度：计算每个樽海鞘个体的适应度值；
[0017]
3)选定食物：由于实际定位时不知道目标(即食物)的位置，因此，将樽海鞘群按照适应度值进行排序，排在首位的适应度最优的樽海鞘的位置设为当前食物位置；
[0018]
4)选定领导者与追随者：将群体中第1个樽海鞘视为领导者，剩余n-1个樽海鞘视为追随者；
[0019]
5)位置更新：选定目标位置后，更新领导者和新追随者的位置；
[0020]
6)计算适应度：计算更新后的群体的适应度，将更新后的每个樽海鞘个体的适应度值与当前目标的适应度值进行比较，若更新后樽海鞘的适应度值优于目标，则以适应度值更优的樽海鞘位置作为新的目标的位置，否则，最优樽海鞘位置保持不变；
[0021]
7)重复步骤4)至步骤6)，直到达到最大迭代次数，输出当前的目标位置作为最优主电路参数。
[0022]
优选地，所述步骤(3)中主电路电感l与额定输出频率fe间的函数关系，如式(7)所示：
[0023][0024]
式中：f
l
(fe)为最优主电路电感函数，a1、a2、a3、a4分别为电感函数的系数。
[0025]
优选地，所述步骤(3)中主电路电容c与额定输出频率fe间的函数关系，如式(8)所示：
[0026][0027]
式中：fc(fe)为最优主电路电容函数，b1、b2、b3、b4分别为电容函数的系数，e是自然对数的底数。
[0028]
本发明提供的不同额定频率下bbmc主电路参数的优选方法，与现有技术相比有以下优点：
[0029]
(1)本发明的不同额定频率下bbmc主电路参数的优选方法，以buck-boost矩阵变换器(bbmc)的主电路参数为优化对象，以bbmc输出电压谐波失真度及bbmc实际输出电压相对于其额定输出电压的偏差为优化目标，采用折衷规划法建立多目标优化适应度函数；任取某一频率作为bbmc的额定输出频率，采用樽海鞘群优化算法对bbmc主电路参数进行优化，获得一组最优的主电路参数；改变bbmc的额定输出频率，获得n组最优主电路参数，采用数值拟合方法获得bbmc最优主电路参数与其额定输出频率间的函数关系式；根据该函数关系式即可确定bbmc在任意额定输出频率下所对应的最优主电路参数，为实现bbmc在不同额定输出频率下的主电路优化设计提供理论依据。
[0030]
(2)本发明的不同额定频率下bbmc主电路参数的优选方法，采用樽海鞘群优化算法，是一种群智能优化算法，每次迭代中，领导者指导追随者，以一种链式行为，向目标移动。移动过程中，领导者进行全局探索，而追随者则充分进行局部探索，大大减少了陷入局部最优的情况，具有全面搜索能力，并且有较高的求解精度。
附图说明
[0031]
图1为本发明中bbmc的主电路拓扑结构图。
[0032]
图2为本发明的流程图。
[0033]
图3为本发明中樽海鞘群优化算法的流程图。
[0034]
图4a为本发明中主电路电感l与额定输出频率fe的拟合函数曲线。
[0035]
图4b为本发明中主电路电容c与额定输出频率fe的拟合函数曲线。
具体实施方式
[0036]
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0037]
图1至图4示出了本发明不同额定频率下bbmc主电路参数的优选方法的第一种实施方式，bbmc包括整流级和逆变级两部分，整流级为一个三相pwm整流电路，用于将三相交流整流成pwm调制的直流电压；逆变级则为一个三相buck-boost逆变器，它由三个结构相同的buck-boost dc/dc变换器构成。
[0038]
本发明不同额定频率下bbmc主电路参数的优选方法包括以下步骤：
[0039]
步骤1：选取优化对象，建立多目标优化适应度函数
[0040]
以buck-boost矩阵变换器(bbmc)主电路参数桥臂电感l和电容c为优化对象，以bbmc输出电压谐波失真度及bbmc实际输出电压相对于其额定输出电压的偏差为优化目标，采用折衷规划法建立多目标优化适应度函数，具体如式(1)所示：
[0041]
[0042]
式中：thd为bbmc输出电压谐波失真度，δu为bbmc实际输出电压相对于其额定输出电压的偏差，h1(l,c,fe)为输出电压谐波失真度的目标函数，h2(l,c,fe)为实际输出电压相对于其额定输出电压偏差的目标函数，l、c分别为bbmc桥臂的电感和电容，fe为额定输出频率，f(l,c)为多目标优化适应度函数，w1为输出电压谐波失真度的权重系数，w2为实际输出电压相对于其额定输出电压偏差的权重系数，thd为谐波失真度，thd
max
为根据实际需要设定的谐波失真度最大值，δu
max
为根据实际需要设定的实际输出电压相对于其额定输出电压偏差的最大值。
[0043]
步骤2：获取最优主电路参数
[0044]
任取某一频率作为bbmc的额定输出频率，采用樽海鞘群优化算法对bbmc主电路参数进行优化，获得一组最优的主电路参数，具体步骤如下：
[0045]
步骤2-1：初始化樽海鞘群优化算法参数，种群维度取2，采用式(2)初始化每个樽海鞘个体在上下限间的初始化值：
[0046][0047]
式中：rand()是随机函数，产生0～1区间的随机数；n为樽海鞘个体数；m为最大迭代次数；樽海鞘个体上限值x
max
＝[l
max
,c
max
]
t
；樽海鞘个体下限值x
min
＝[l
min
,c
min
]
t
。
[0048]
步骤2-2：由于实际定位时不知道目标的位置，因此，将樽海鞘群按照适应度值进行排序，排在首位的适应度最优的樽海鞘的位置设为当前目标位置。即将樽海鞘群体中第1个樽海鞘个体视为领导者，其余樽海鞘个体视为追随者，根据式(1)计算每个樽海鞘个体的适应度值，将其中最小适应度值对应的樽海鞘个体作为初始化最优个体，即x
best
＝[l0,c0]
t
。
[0049]
步骤2-3：根据式(3)对第m代领导者进行更新：
[0050][0051]
式中：为第m代领导者，c1是迭代因子，其表达式如式(4)所示：
[0052][0053]
式中：m是当前迭代次数，m是最大迭代次数。
[0054]
c2，c3是由随机函数产生的0～1区间的随机数，其表达式如式(5)所示：
[0055][0056]
式中：rand()是随机函数。
[0057]
步骤2-4：根据式(6)对第m代追随者进行更新；
[0058][0059]
式中：是第m代樽海鞘的第i个追随者，和分别是第m-1代樽海鞘的第i个和第i-1个追随者。
[0060]
步骤2-5：根据式(1)计算第m代樽海鞘领导者及每个追随者对应的适应度值，选取其中最小适应度值对应的樽海鞘个体作为第m代最优个体，即
[0061]
步骤2-6：判断第m代最优个体的适应度值是否小于第m-1代最优个体的适应度值；若小于，则更新最优个体，即否则，最优个体保持不变。
[0062]
步骤2-7：判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数m；若达到，进入步骤2-8；否则，迭代次数m加1后，返回步骤2-3。
[0063]
步骤2-8：输出最优樽海鞘个体，即最优主电路参数x
best
＝[l
best
,c
best
]
t
。
[0064]
步骤3：获得最优主电路参数与额定输出频率的关系
[0065]
改变bbmc的额定输出频率，获得n组最优主电路参数，采用数值拟合方法获得bbmc最优主电路参数与其额定输出频率间的函数关系式，最优主电路参数包括bbmc桥臂电感l和电容c，则相应的函数关系式具体包括：
[0066]
1)最优主电路电感l与额定输出频率fe间的函数关系，如式(7)所示：
[0067][0068]
2)最优主电路电容c与额定输出频率fe间的函数关系，如式(8)所示：
[0069][0070]
式中：f
l
(fe)和fc(fe)分别为最优主电路电感函数和电容函数，a1、a2、a3、a4分别为电感函数的系数，b1、b2、b3、b4分别为电容函数的系数。
[0071]
根据函数关系式(7)和(8)即可确定bbmc在任意额定输出频率下所对应的最优主电路参数，实现不同额定频率等级下bbmc主电路的优化设计。
[0072]
根据上述方法，针对bbmc在不同额定频率下的主电路参数进行优化，将具体数值应用于本发明的优选方法，例如：设bbmc主要技术指标如表1所示，并设折衷规划法及樽海鞘群优化算法的相关参数如表2所示。
[0073]
表1bbmc主要技术指标
[0074]
序号主要技术指标数值1额定输入电压/v3802额定输入频率/hz503额定输出电压/v1154额定输出电流/a2.3
[0075]
表2折衷规划法及樽海鞘群优化算法参数表
[0076]
序号参数数值1权重系数w10.552权重系数w20.453谐波失真度最大值thd
max
/％0.54电压偏差的最大值δu
max
/v15樽海鞘个体数n/个1006最大迭代次数m/次500
7樽海鞘个体上限值x
max
[1
×
10-3
,1
×
10-3
]
t
8樽海鞘个体下限值x
min
[1
×
10-6
,1
×
10-6
]
t
[0077]
设bbmc的输出频率范围为：25hz～400hz，在该频率范围内按25hz的间距依次选取16个频率数据，并以选取的每个频率作为bbmc的额定输出频率，采用樽海鞘群优化算法获得相应的最优主电路参数，如表3所示。
[0078]
表3bbmc额定输出频率及相应的最优主电路参数表
[0079][0080][0081]
根据表3所获得的16组最优主电路参数以及相应的额定输出频率，采用数值拟合方法获得相应的函数关系式；所述数值拟合方法采用最小二乘法；所述最优主电路参数包括bbmc桥臂电感l和电容c，则相应的函数关系式具体为：
[0082]
1)最优主电路电感l与额定输出频率fe间的函数关系，如式(9)所示：
[0083][0084]
式中：a1＝5.235
×
10-4
，a2＝-3.495
×
10-2
，a3＝5.498
×
10-5
，a4＝-3.161
×
10-3
。
[0085]
2)最优主电路电容c与额定输出频率fe间的函数关系，如式(10)所示：
[0086][0087]
式中：b1＝1.07
×
10-3
，b2＝-4.925
×
10-2
，b3＝1.432
×
10-4
，b4＝-2.86
×
10-3
。
[0088]
根据表3所示最优主电路参数及式(9)和式(10)所得函数关系式，可得如图4所示拟合函数曲线。
[0089]
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重
点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。对于系统、设备、介质实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0090]
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。值得注意的是，上述实施例中所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
[0091]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0092]
上述实施案例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。