基于扩展状态平均法的隔离型多端口移相全桥双向直流变换器建模研究

建立了一种用于混合储能系统的隔离型多端口双向直流变换器的数学模型。通过星-网变换建立了移相控制下直流变换器多端口网型等效电路,通过扩展状态平均法建立了N端口变换器在电感电流连续时的状态平均模型和小信号模型,并分析了各端口之间传输的功率。仿真比较了不同端口数下变换器的模型输出和拓扑输出,并以三端口变换器为例,分析了移相比扰动下的模型和拓扑电路的动态响应。结果表明,提出的多端口直流变换器的数学模型能够准确反映移相控制下多端口变换器的稳态性能和动态性能,且对于不同端口数量的直流变换器具有普遍适用性。     

开关型直流变换器的快速建模与分析

本文提出了一种开关型直流变换器的快速建模法,并对建立的模型进行了直流稳态和小信号扰动特性分析,最后建立了规范化模型。这种快速建模法物理概念清楚、简单,易于利用已有的CAA程序库。     

直流供电交错并联双向DC/DC变换器切换控制策略

分布式可再生能源的推广应用、节能减排的需求以及用户终端负荷特性的变化,给传统交流供电带来了巨大挑战,直流供电因其强大的节能优势受到广泛关注。作为直流供电系统的关键组成部分,DC/DC变换器对稳定性有较高的要求。目前变换器普遍采用小信号建模,建模精度不高,在面临大的扰动时系统可能变得不稳定。文中基于切换系统理论,提出一种储能交错并联双向DC/DC变换器的切换控制方法,直接对系统进行大信号建模,建模精度高。首先选取系统储能函数作为共同的Lyapunov函数并设计最优切换率,然后分析了该切换率条件下系统在切换平衡点处的稳定性,最后在Matlab中进行了仿真,搭建了基于SiC MOSFET的双向DC/DC变换器样机进行验证。实验验证了该切换控制策略的有效性。     

一种直流微网双向并网变换器虚拟惯性控制策略

针对直流微网中母线电压易受微网内部功率波动影响,通过类推交流微网中虚拟同步发电机的虚拟惯量,提出了一种直流微网双向并网变换器(bidirectional gridconnected converter,BGC)虚拟惯性控制策略,增强了直流微网的惯性,平抑了直流母线电压波动。建立BGC虚拟惯性控制小信号模型,推导出直流母线电压与BGC直流侧输出电流之间的小信号传递函数,深入分析直流微网功率突变下的系统动态特性,发现BGC直流侧输出电流相当于扰动量,会对直流母线电压的动态响应过程产生冲击性影响。对此,提出了BGC的直流侧输出电流前馈扰动抑制方法,平滑了直流母线电压的动态响应。分析了BGC系统的稳定性,选取了合适的BGC虚拟惯性控制参数。最后,仿真与实验验证了所提控制策略的有效性。     

基于正弦扰动注入的直流微网线路电感检测

在直流微网中,直流变换器与直流母线之间的线路电感将会引起系统失稳。基于直流微网的结构特性提出一种线路电感的检测方法,通过对系统控制单元注入高频正弦扰动信号,提取直流变换器输出电压和输出电流中的扰动分量信号,可对线路电感进行检测。根据此电感,引入反馈环节,对系统进行补偿,调整直流电源变换器的输出阻抗,提升系统的稳定性。在此分析了线路电感的检测原理和系统补偿原理,并通过实验验证所提方法的正确性。     

Boost PFC变换器电流前馈控制研究

正功率因数(Power Factor Correction,PFC)变换器的负载发生扰动时,若仅仅通过电压控制器进行调节,直流输出电压会出现较大的波动,严重影响系统的动态特性。针对上述问题,在分析变换器实现单位功率因数运行的工作原理基础上,建立了系统的小信号模型,并构建系统的等效电流环模型以及对电压外环模型进行了简化。在小信号平均模型的基础上,设计负载电流前馈控制器,确定了前馈系数。结合仿真和试验验证了分析设计的正确性,明显提高了系统对负载扰动的抗干扰能力。     

直流微电网DAB变换器和直流固态变压器的非线性控制策略

直流微电网中,当双有源全桥(DAB)变换器及直流固态变压器(DCSST)带恒功率负载运行时,恒功率负载负阻抗特性会对系统的稳定性造成不良影响。文中提出了一种基于非线性扰动观测器及反步控制的新型复合带恒功率负载直流变换器控制策略,推导得出DAB变换器和DCSST数学模型的布鲁诺夫斯基标准型,采用基于非线性扰动观测器的大信号非线性扰动估计方法作为前馈补偿提高输出电压调节的准确性,结合反步控制方法保证DAB变换器和DCSST在大信号扰动下的稳定性。实验结果表明,所提出的控制方法既能在大信号扰动下保证DAB变换器和DCSST的稳定性,又能在不同工况下保证快速动态响应和准确的电压跟踪。     

两级式并网变换器级联稳定性及控制策略研究

直流微电网通过并网变换器与交流电网相连,实现功率的双向流动及直流母线电压的稳定,两级式并网变换器以其直流侧电压调节范围大、动态响应快等优点被用于低压直流微电网中。以母线电压为400 V的直流微电网为背景,研究两级式并网变换器的控制策略及其级联稳定性。提出以直流母线电压为控制信号的两级式并网变换器均流策略,实现直流微电网功率的自动平衡及并网变换器功率的双向流动。建立两级式并网变换器的小信号模型,设计控制器参数,并根据阻抗比判据分析了两级式变换器的级联稳定性。仿真和实验结果表明,所提出的控制策略能够跟踪直流母线电压的变化,平衡直流微电网功率,稳定直流母线电压,并实现并网变换器功率的双向控制,具有良好的动态响应。     

基于双向全桥DC-DC变换器增广状态控制系统研究

双向全桥DC-DC变换器广泛应用于电动汽车、新能源发电等具有能量双向流动的储能系统中。首先,在双向全桥变换器单移相控制模式基础上,应用离散采样建模方法建立了双向全桥变换器的离散小信号模型;然后,根据变换器的离散小信号模型,设计了具有无静差的增广状态反馈控制系统,通过配置系统的闭环期望极点位置使系统的阶跃响应无超调,通过仿真,验证数字闭环控制器的有效性;最后,分析了状态反馈系数矩阵对变换器系统中主要参数的敏感程度,仿真结果表明相同反馈系数下,不同系统参数对系统输出瞬态响应的影响。     

多重化双向Buck/Boost变换器控制策略仿真研究

多重化双向Buck/Boost变换器常作为能量交换接口用于储能系统中。采用基本建模法对三重化双向Buck/Boost变换器建立交流小信号模型,基于变换器的开环特性,设计了电压、电流补偿网络,在此基础上提出一种新的基于前馈校正的复合双闭环控制策略。为验证所提控制策略的正确性进行了MATLAB仿真研究。仿真结果表明:该控制策略可为三重化双向Buck/Boost变换器提供良好的动、稳态性能,同时对大范围的负载变化等扰动均具有很好的鲁棒性。     

基于LLC谐振的新型软开关双向DC-DC变换器

为了进一步提升户用储能系统中电池端双向DC-DC变换器的功率密度和效率,提出一种基于LLC谐振的新型软开关双向DC-DC变换器。该变换器有效降低了变压器匝比,提高了转化效率,在非对称半桥拓扑下可实现双向LLC特性,变换器中所有开关管均能实现软开关。同时该变换器结构简单,并可应用同步整流技术,具有效率高、成本低等优势。描述了所提变换器软开关的实现过程,进而分析了谐振特性和相关参数以及软开关的实现条件。最后制作了一台高压侧350～400 V、低压侧45～50 V的500 V·A实验样机,验证了所提变换器的有效性和实用性。     

一种新型的双输入双向DC-DC变换器

针对单输入半桥型双向DC-DC变换器回流功率较大的问题,提出一种新型的双输入双向DC-DC变换器。该双向变换器利用开关网络构造出双输入结构,通过控制输入侧开关管不同导通状态,能在变换器原边生成占空比可调的三电平方波电压,从而实现双重移相的控制效果,使得回流功率减小,电流应力降低。详细地介绍和分析了变换器的工作原理、开关模态以及功率传输情况,建立了变换器传输功率和回流功率的数学模型,通过对比不同电压调节比下双输入和单输入变换器的回流功率可知,该双输入变换器能有效减小回流功率,提升变换器性能。同时通过对传输功率的分析推导发现,该变换器在开关管电压应力相同的情况下能扩大其功率传输的范围。最后,通过一个200 W的样机验证了所提拓扑的合理性。     

基于自抗扰控制的双向DC-DC变换器并联均流控制

双向DC-DC变换器作为微电网的重要组成部分,可以实现各个微源之间的能量流动,但变换器并联运行时存在均流问题。为了解决双向DC-DC变换器的抗扰动能力和均流控制效果,在建立双向DC-DC变换器数学模型的基础上,设计了一种电压电流双闭环自抗扰控制(ADRC)策略,同时考虑双向DC-DC变换器并联运行的均流特性,将ADRC与中间电流均流控制相结合,提出了一种适用于DC-DC变换器的自抗扰均流控制算法。仿真结果表明,与传统PI控制系统相比,该控制系统具有更优的快速性、鲁棒性和适应性。     

一种新颖的软开关双向DC／DC变换器分析与设计

提出了一种双向DC/DC变换器,低压侧采用电流型半桥拓扑,高压侧采用电压型半桥拓扑。并采用了一种新的相移控制方式,即通过控制占空比来改变移相角从而控制电流和功率。所提拓扑解决了电流型拓扑固有的启动问题和电压尖峰问题,低压侧实现了ZCS,高压侧实现了ZVS。详细分析了变换器正、反向换流和实现软开关的工作原理,最后通过模型仿真、样机实验验证了理论分析的正确性。     

Novel Modeling and Design of a Dual Half Bridge DC-DC Converter Applied in Supercapacitor Energy Storage System

Abstract—This article concerns the application of the isolated symmetry half-bridge bidirectional DC-DC converter in a supercapacitor energy storage system. The guideline to calculate the zero-voltage switching resonance elements is proposed. Meanwhile, a novel state-space averaged model contains duty cycle as control variable is developed. With the model, a phase-shifted plus feed-forward control system is proposed, which can stabilize the primary side voltage of the transformer and reduce the leakage inductor current when supercapacitor voltage declines. Simulation results of the model have been obtained and studied. The proposed design guideline and control strategy is verified by a 500-W prototype.     

分布式风光储系统双向DC-DC变换器研究

文中提出了一种分布式风光储系统的架构,并重点研究系统中连接蓄电池和直流母线的双向DC-DC变换器。双向DC-DC变换器能够实现太阳能阵列、风机、电网和蓄电池之间的能量交换、调节母线电压,是风光储系统的关键部分。本文采用高变比的双有源全桥变换器构成双向DC-DC变换器,它既能连接较低输出电压的蓄电池和高压直流母线,又能通过移相控制实现功率双向流动和软开关。本文研制了一台3 k W风光储系统样机,在不同工况下测试了双向双有源DC-DC变换器的功能。     

一种适用于低压大电流的双向DC/DC变换器

在电动车应用中,电池的性能和寿命是关键问题,需要一个双向DC/DC变换器对单体大容量蓄电池或并联电池组进行升压和充放电管理。介绍了一种适用于低压大电流的双向DC/DC变换器。它采用磁耦合技术构成电感,减小了磁元件的个数和电感的磁损,同时有很好的稳态和瞬态响应。为了提高变换器的变换比率,采用了半桥结构实现了倍压功能。实验证明,该变换器适用于低压大电流场合。     

混合动力电动车用高效双向直流变换器的设计

针对传统以蓄电池为动力的电动车存在的问题,提出以超级电容加双向DC-DC变换器为辅助动力源的方案。该方案在弥补蓄电池缺陷的同时,提高了整个系统的能源利用效率,并增加了电动车的续驶里程。在简要介绍了超级电容储能系统的基础上,主要研究和设计了系统中的核心部件—双向DC-DC变换器,分析了双向DC-DC变换器的工作模式和控制策略,并对双向变换器进行了软开关分析。Matlab仿真所得的相应波形验证了方案的有效性。     

一种双向隔离三电平DC-DC变换器电流有效值最小控制方法

针对双向隔离DC-DC变换器在传统"两电平H桥结构+移相控制"模式下进行功率传输所导致的开关器件承受电压应力大、变换器传输效率低等问题,提出一种"双边三电平半桥结构+电流有效值最小控制策略"方案。该方案将H桥结构替换为三电平半桥结构并在传统移相控制的基础上增加对变压器漏感电流有效值的控制,降低了变换器损耗和开关器件承受的电压应力并提高了变换器的传输效率。根据隔离变压器漏感电流有效值表达式与零电压开关条件,对电感电流有效值最小控制方法的控制曲线进行了详细推导,并根据该控制曲线设计了基于可编程逻辑器件的控制核心。采用新型Si C MOSFET开关器件搭建了物理实验平台。实验结果表明在所提方案的作用下开关器件所承受的电压应力、变换器损耗和变换器传输效率都得到了较大的改善,验证了理论分析的正确性和所提方案的可行性。     

一种新型三电平双向DC-DC变换器

三电平桥式电路中开关管承受的电应力比普通桥式电路中开关管承受的电应力减小一半,结合三电平电路结构的优点,省去了传统三电平双向DC-DC变换器中的一对飞跨电容,提出了一种新型三电平双向DC-DC变换器。该新型三电平双向DC-DC变换器使电路中开关管电应力减小,谐波成分降低。利用交错移相的控制策略进行控制,使得新型变换器中所有开关管均能实现零电压开关(ZVS)。通过2.4 kW的样机试验验证,提出的新型三电平双向DC-DC变换器性能优良,与传统的双向DC-DC变换器相比,效率有了显著提升。