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功率器件技术 SiC器件 ★ 5.0

基于拓扑可迁移网络的双有源桥变换器家族通用建模方法

A Generic Modeling Approach for Dual-Active-Bridge Converter Family via Topology Transferrable Networks

作者 Xinze Li · Fanfan Lin · Changjiang Sun · Xin Zhang · Hao Ma · Changyun Wen
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年8月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 功率变换器 灰箱建模 双有源桥变换器 拓扑转移 T²PA - MDN
语言:

中文摘要

新兴的电力变换器灰箱建模方法有效缓解了传统基于物理的白箱模型中存在的模型差异问题,同时为数据驱动的黑箱模型提供了一种数据需求少且可解释的替代方案。然而,现有灰箱建模方法仍面临一个重大挑战,即对域外拓扑结构的泛化能力较差。这一局限性使得在遇到新的拓扑结构时,需要重建或重新训练模型,从而阻碍了其广泛应用。针对这些挑战,本文提出了一种专门适用于双有源桥(DAB)变换器拓扑族的通用灰箱建模方法,该方法基于所提出的拓扑可迁移的架构内物理混合密度网络(T²PA - MDN)。作为核心部分,T²PA 网络对循环神经元进行改进,通过离散数值方法无缝嵌入电路物理知识,实现高效的拓扑迁移。此外,概率混合密度网络(MDN)利用高斯分布的混合来量化环境波动,减少模型差异。本文通过三个拓扑迁移设计案例展示了所提出的建模方法,在这些案例中,模型仅使用非谐振 DAB 的五组时间序列数据进行训练,且无需额外数据或训练即可轻松迁移到谐振、多电平和多端口拓扑结构。算法分析和 2 千瓦硬件实验验证了 T²PA - MDN 的可行性和优越性。本研究旨在为未来电力变换器的灰箱建模开辟新方向,以实现跨多种拓扑结构的泛化性和有效性。

English Abstract

The emerging gray-box modeling for power converters effectively mitigates model discrepancies seen in traditional physics-based white-box models while offering a data-light, explainable alternative to data-driven black-box models. However, a significant challenge remains existing gray-box modeling approaches suffer from poor generalization to out-of-domain topologies. This limitation necessitates rebuilding or retraining the model when a new topology is encountered, hindering widespread adoption. Catering for these challenges, this article proposes a generic gray-box modeling approach tailored for the dual-active-bridge (DAB) converter topology family, which is based on a proposed topology transferrable physics-in-architecture mixture density network (T2PA-MDN). As the core part, the T2PA network retrofits recurrent neurons to embed circuit physics seamlessly via discretized numeric methods, enabling efficient topology transfer. Moreover, a probabilistic mixture density network (MDN) quantifies ambient fluctuations using a mixture of Gaussian distributions, mitigating model discrepancies. The proposed modeling methodology is demonstrated with three topology transfer design cases, in which the model is trained on a nonresonant DAB with merely a five-time series and is easily transferred to resonant, multilevel, and multiport topologies with no extra data or training. Algorithm analysis and 2-kW hardware experiments have verified the feasibility and the superiority of T2PA-MDN. This research aims to pioneer a new direction for the future gray-box modeling of power converters, toward generalization across diverse topologies but effectiveness.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对双有源桥(DAB)变换器族的通用灰盒建模技术具有重要的战略价值。DAB拓扑是我司储能系统、光储一体化方案以及电动汽车充电设备中的核心功率变换单元,该技术的拓扑迁移能力直接契合我们产品线多样化的现实需求。

该技术的核心创新在于T²PA-MDN网络架构,通过将电路物理规律嵌入神经网络结构,实现了仅用五组时间序列数据训练后即可跨拓扑迁移的突破。这对阳光电源的研发体系意义重大:当前我们从非谐振DAB扩展到谐振型、多电平或多端口拓扑时,往往需要重新建模和大量实验验证,耗费大量时间成本。该方法可将新拓扑的建模周期从数月压缩至数周,显著加速储能变流器PCS、混合逆变器等产品的迭代速度。

从技术成熟度评估,论文已通过2kW硬件实验验证,但距离我们兆瓦级工业应用仍有差距。混合密度网络对环境波动的概率量化能力,对提升储能系统在复杂工况下的控制精度和可靠性预测具有实用价值,这与我们在大规模储能电站面临的温度变化、电网扰动等挑战高度相关。

技术挑战主要在于:高功率等级下的模型泛化能力验证、与现有数字控制平台的集成、以及极端工况下的鲁棒性保障。建议我司技术中心可先在液冷储能系统的DC/DC环节开展小规模试点,评估其在多场景切换、拓扑动态重构等创新应用中的潜力,为未来模块化、智能化产品平台奠定建模基础。