DC/DC变换器混合逻辑动态建模与约束优化控制策略

针对电力电子电路DC/DC(直流-直流)变换器同时存在着连续动态和离散切换两种不同类型的的混杂特性,引入N步建模方法,推导出DC/DC变换器的混合逻辑动态模型,用来描述变换器的动态特性、切换规律和系统中的约束关系.在此基础上,考虑控制输入约束和系统状态约束,应用混合整数模型预测控制方法,建立以脉冲宽度调制(PWM)为控制方式的DC/DC变换器状态反馈最优控制系统.数值仿真结果表明:DC/DC变换器基于混合逻辑动态建模的可行性,及在此基础上设计的优化控制系统具有良好的动态特性,并能满足系统的约束限制.     

并联DC/DC变换器的混杂系统建模与优化控制

DC/DC变换器是一类典型的混杂系统,使用传统的建模方法难以表征其混杂特性。文章引入v步建模法深入分析了并联DC/DC Buck变换器的动态过程,导出了其动态演化方程,建立了系统的混合逻辑动态模型。在此基础上,提出了将模型预测控制与交错PWM技术相结合的DC/DC变换器控制策略,实现了对并联DC/DC变换器的优化控制。为验证控制的有效性,对系统进行了仿真。结果表明:这种控制策略即使在输入电压或负载发生突变时也能使系统快速有效地跟踪参考信号,迅速恢复至稳态且变化幅度小,具有良好的动态性能。     

基于混杂自动机的双向DC/DC变换器建模与控制

双向DC/DC变换器具有实现能量变换的双象限运行特性和多模态的混杂特性。现有模型主要采用平均模型和精确模型,前者忽略了高频动态特性,后者计算量过大,且均未考虑其混杂特性。针对上述问题,建立了双向DC/DC变换器各工作模态的连续状态微分方程,在此基础上基于混杂自动机理论建立了能对其完整描述的混杂自动机模型,基于混杂自动机模型完成了控制算法设计。运用Matlab/Stateflow对该控制算法进行仿真,结果表明混杂自动机模型计算量适中、精确度高、反映了系统的高频动态特性,完整地描述了系统的各个工作模态,兼顾了CCM模式和DCM模式,基于混杂自动机模型的控制算法简单且效果良好,具有实际应用价值。     

DC/AC变换器的混杂系统建模及预测控制

DC/AC变换器是典型的混杂系统,分析了变换器的动态特点和系统所受的约束及控制目标。在建模中为了考虑开关动态将PWM周期进行细分,通过引入逻辑变量来判断各个子区间的开关状态从而确定系统的动态演化方程。用混杂系统语言编辑工具HYSDEL对系统进行描述得到混合逻辑动态模型,基于模型设计预测控制器,通过在线求解对应的混合整数规划问题得到数值解。仿真结果验证了模型建立的正确性和控制器设计的有效性。     

双线性DC/DC变换器混杂建模与优化控制

Boost、Buck-boost和Flyback等DC/DC变换器的连续时间状态空间模型实际上是由一组双线性微分方程来描述的,这类变换器控制的主要难点在于双线性项的处理和变换器所固有的混杂特性。对此,提出了一种针对这类DC/DC变换器的混杂建模和优化控制方法。该方法首先将开关周期等分为多个子周期,并通过迭代推导出变换器在开关周期内的离散时间状态更新函数。然后将双线性项在整个状态-输入空间内进行分段线性化处理,从而建立变换器的混杂模型。以Boost和Buck-boost DC/DC变换器为例,分别建立了其混杂模型,并进行了优化控制。最后通过实验对比分析了两种DC/DC变换器的优化控制效果,从而验证了该方法的通用性、有效性和优越性。     

开关DC/DC变换器的统一离散模型

为了确切地描述DC/DC变换器的系统特性,指导变换器的控制策略设计,文中利用状态转移矩阵,建立了基于电感电流连续和不连续两种运行模式的Boost变换器统一离散模型.给出了根据系统当前状态及控制策略,计算每个开关周期中功率开关关断后电感电流持续时间的方法,给出了变换器运行模式的判断条件,确定了模型的系数矩阵.与实验结果进行比较,验证了统一离散模型的有效性.     

HS理论在DC/DC变换器建模及仿真中的应用

利用混杂系统(Hybrid Systems,简称HS)理论对开环和闭环控制DC/DC变换器进行了分析和建模,并考虑了不连续电流工作情况.最后在Matlab环境下对该模型进行了仿真分析以及相同参数下的实验验证.由于电力电子变换器的开关特性,对其建立精确模型具有一定的难度,而采用HS理论能很好地解决这一问题.HS同时囊括了连续变量系统和离散事件系统的动力学特性.因此,采用HS理论能够精确描述电力电子变换器,并能在该基础上分析系统的一些复杂特性.     

电动汽车中新型双向DC/DC变换器建模分析*

非隔离型双向DC/DC变换器广泛应用于混合直流供电系统中,针对电动汽车超级电容与蓄电池的混合供电系统,以新型交错并联型Buck/Boost变换器为研究对象,采用状态空间平均法,建立了Boost状态连续模式(CCM)下的交流小信号模型,得到了电路模型的开环传递函数。分析幅频特性曲线可知,变换器低频段斜率为0 d B/dec,系统存在稳态误差,中频段穿越频率过高,系统超调量较大,高频段以-20 dB/dec斜率变化,高频抗干扰能力较差。基于此,为变换器设计了平均电流补偿网络,理论分析系统的稳定性、动态响应速度和高频抗干扰能力都得到提高。同时仿真验证可知:当输入及负载跳变时输出电压在10 ms内都能快速稳定,且输出电压波动不超过1.5%,满足电动汽车储能系统要求。     

DC/DC变换器稳态运行谐波状态空间模型

针对传统的状态空间平均法在建模中损失纹波信息的缺陷,基于线性时间周期理论和谐波线性化理论,采用傅里叶分解法,建立DC/DC变换器稳态运行下的谐波状态空间模型,绘制DC/DC变换器的谐波等效电路,从频域角度描述拓扑电流和电压的映射过程;在输入侧加入小扰动,建立DC/DC变换器的谐波状态空间小扰动描述矩阵,对稳态谐波和扰动间谐波进行分析。仿真与实验结果表明,基于谐波状态空间的DC/DC电路建模方法具有极高的精确性,在未来多变流器的配网场景谐波分析中具有一定的工程运用价值。     

DC/DC变换器精确频响特性分析与测量

采用一种非平均模型法对DC/DC变换器的精确频响特性如输入阻抗、输入输出电压传递函数等进行了分析.由于电力电子变换器同时具有连续和离散时间系统特性,平均模型法和离散模型法均不能对其进行精确的动态特性分析.提出将DC/DC变换器的切换开关等效成一个时变电路,从而将整个系统看成一个线性时变系统,使系统同时具备精确性和易于分析性.在此基础上,对DC/DC变换器的频响特性进行了解析求解分析和实验测量.实验证明,该方法克服了平均模型法和离散模型法的频率范围限制,在开关频率附近及开关频率之上均能精确反映DC/DC变换器的动态特性.     

Global hybrid modeling and control of a buck converter: A novel concept

Several attempts have been made to design suitable controllers for DC–DC converters. However, these designs suffer from model inaccuracy or their inability to desirably function in both continuous and discontinuous current modes. This paper presents a novel switching scheme based on hybrid modeling to control a buck converter using mixed logical dynamical (MLD) methodologies. The proposed method is capable of globally controlling the converter in both continuous and discontinuous current modes of operation by considering all constraints in the physical plant such as maximum inductor current and capacitor voltage limits. Different loads and input voltage disturbances are simulated in MATLAB and results are presented to demonstrate the suitability of the controller. The transient and steady‐state performance of the closed‐loop control over a wide range of operating points shows satisfactory operation of the proposed controller. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于模块化隔离型DC/DC变换器的海上直流风电场并网方案

与传统的海上风电场采用中压交流系统汇集电能不同,海上直流风电场采用直流系统实现电能的汇集和远距离传输。为减小海上风电场的投资,提高其运行效率,设计了一种基于模块化隔离型DC/DC变换器(MIDC)的新型海上直流风电场并网方案。首先,对三种可能作为MIDC子模块的DC/DC变换器进行了参数设计和对比分析,最终确定了LLC串并联谐振变换器作为MIDC子模块的拓扑。在此基础上,设计了MIDC的控制系统,在实现MIDC子模块间均压和均流的同时,实现了对风力发电机组输出功率的最大功率跟踪。最后,通过仿真验证了所设计的海上直流风电场并网方案的可行性和所设计的MIDC控制系统的有效性。     

一种基于CSC-VSC的DC/DC换流器及其控制策略

在能源互联网建设中,DC/DC换流器是实现不同直流电压等级的可再生能源并网的必要环节,引起了广泛的研究。DC/DC换流器的体积、成本、动稳态性能和故障性能是其广泛应用的限制因素。为此,提出了一种并网端采用有源电流源换流器、分布式能源端采用电压源换流器的front-to-front混合DC/DC换流器,其中CSC和VSC交流侧采用高频率正弦波调制。所提出的基于CSC-VSC的混合DC/DC换流器具有体积小、成本低、可穿越直流短路故障等优点。通过对混合DC/DC换流器数学模型的分析,提出了换流器参数设计方法,给出了换流器运行范围约束。再提出了一种适用于混合DC/DC换流器的综合控制策略,其中CSC采用有功无功闭环控制、VSC采用交流电压幅值闭环控制。利用RTLAB半实物仿真平台分别对混合DC/DC换流器额定运行工况和直流短路工况进行了实验研究,结果验证了所提混合DC/DC换流器拓扑和控制策略的合理性和有效性。     

交直流线路同塔输电对换流变直流偏磁的影响

华东地区输电线路走廊资源紧缺,为了充分利用架空线路走廊,将出现特高压直流线路与交流线路同塔架设的情况.根据规划的宁东-绍兴±800kV特高压直流主回路参数和华东地区交直流同塔线路数据,采用EMTDC建立了交直流输电系统的仿真模型.计算了交流线路输送功率、直流系统运行工况以及同塔段位置对直流线路工频感应分量的影响,给出了工频感应分量沿直流线路的分布规律.研究结果表明,由于直流线路上的工频感应分量与直流额定电压和电流相比很小,故对直流滤波器、平波电抗器和换流阀的参数选择影响不大,而工频感应分量所引起的换流变压器(简称换流变)阀侧直流偏磁电流则会对换流变正常运行产生一定程度的不利影响.最后,根据换流变可承受直流偏磁电流的能力,给出了可能的同塔架设的长度,并提出了限制直流偏磁电流的措施.     

SVPWM矢量合成方式对直流母线充电站漏电流的影响

针对采用直流母线拓扑的电动汽车充电站,为降低成本和损耗而不增加变压器结构时存在漏电流的问题,对无变压器隔离的直流母线充电站漏电流产生的原因进行了理论分析,在此基础上提出了一种无变压器结构直流母线充电站共模漏电流模型。根据提出的建模方法和SVPWM整流器理论,最终给出了共模电压和漏电流的数学描述,并进一步分析了整流器采用SVPWM控制时不同空间矢量合成方式对充电站系统共模电压和漏电流的影响,得到了不同空间矢量合成方式对应的共模电压和电流。最后,通过仿真和实验验证了该模型和矢量合成方式理论分析的正确性。