全桥隔离DC/DC变换器的直接功率控制方法

以无工频变压器电力牵引传动系统为应用背景,对其中的全桥隔离DC/DC变换器开展研究。在电力牵引传动系统中,单相网侧脉冲整流器直流输出电压中含有二倍电网频率的电压脉动,该二倍频脉动可能会引起电机中的拍频现象。因此,为减小该二倍频电压脉动对DC/DC变换器输出电压的影响,研究全桥隔离DC/DC变换器在输入电压动态变化时的高性能控制方法非常必要。为提高全桥隔离DC/DC变换器在输入电压脉动以及突变情况下的动态响应性能,基于单相移控制方法,提出了一种直接功率控制方法,并进行了详细的分析。最后,基于RT-LAB和赛灵思XC3S500E的半实物仿真平台和基于TMS320F28335控制器的实物实验平台对所提出的控制方法进行验证,半实物仿真和实物实验结果表明:在输入电压突变、输入电压含有脉动和波动的情况下,该直接功率控制算法能有效提高输出电压的动态性能,减小输入电压扰动对输出电压的影响。     

输入串联输出串联型双向DC/DC变换器自适应均压控制策略研究

多模块输入串联、输出串联(input-series output-series,ISOS)型双向DC/DC变换器尤其适用于如直流电网等输入、输出电压等级都较高的场合,模块间的输入/输出侧能否均压是制约其可靠运行的关键问题。提出了一种基于输入/输出侧电压双下垂的自适应均压控制策略。该控制策略利用电感电流补偿值与输入/输出电压之间的下垂特性实现了自适应均压控制,但下垂控制会带来不可避免的静差问题。补偿改进控制策略消除了静差并进一步提高了系统模块化程度,改进后,输入/输出侧均压效果和动态性能良好。利用小信号建模分析系统稳定性,通过根轨迹分析得到控制参数稳定范围,最后通过仿真和实验验证了策略的可行性。     

基于模块化三电平方式的中压直流配电网DC/DC换流器设计

中压直流配电网与直流负荷、直流微电网的互联是实现直流配电网的关键,这将迫切需要一种适应于中压和低压大跨度变比的直流变压器(即DC/DC换流器)。三相双主动全桥(dual-active bridge,DAB)换流器具备可隔离、可实现双向功率流动、滤波器体积小等优点,该文基于三相DAB换流器拓扑,结合中压直流配电网DC/DC换流器高压侧电压应力大、低压侧电流应力大等特性,设计了一种基于三电平方式的DC/DC换流器模块,进而采用输入串联、输出并联的模块化级联方式设计了中压直流配网DC/DC换流器。最后,提出了换流器模块高、低压侧协调控制方式以及模块化DC/DC换流器的输入电压均分、输出电流均分控制方式,并在MATLAB/Simulink里验证了其可行性。     

直流固态变压器控制技术研究

为解决作为中压直流配网与低压直流微网互联设备的直流固态变压器(DC solid state transformer,DCSST)子模块均压均流问题,同时实现微网直流母线电压的稳定控制及灵活双向功率运行能力,提出了一种以DCSST输出电压稳定为主控制环,输入电压均衡为附加控制环的双环解耦控制策略。针对其输入串联输出并联(input-series output-parallel,ISOP)结构及隔离型双向DC/DC变换器(isolated bidirectional DC/DC converter,IBDC)移相控制原理,对DCSST进行统一建模,并通过对其小信号线性模型及传递函数的推导,分析了两控制环路之间的解耦条件。仿真与实验结果表明,在所提出的控制策略以及控制参数下,DCSST双向功率运行时输出电压稳定与输入电压均衡控制效果良好,同时,各IBDC模块采用交错控制可有效减小输出电流纹波。     

基于模块化双有源桥变流器的直流变电站设计方案

文中提出了一种基于模块化双有源桥变流器的直流变电站方案,将双有源桥模块按照输入端并联、输出端串联的结构级联而成,可以将输入端的直流低压升压至输出端的直流中高压,并且具备功率双向流动能力。模块化双有源桥变流器的直流高压出线连接到高压直流电网,各个模块的直流低压出线可分别连接到低压分布式电源和负荷。双有源桥模块内部使用结构紧凑的高频变压器实现输入端和输出端的电气隔离。提出了适用于模块化双有源桥变流器的串并联均衡控制,具有高效可靠且无需通信的特点,各模块的串联输出端的电压和并联输入端的电压保持相同的斜率关系。电磁暂态仿真结果表明该直流变电站总有功功率在各模块之间均匀分配,各模块的输入直流电流和输出直流电压能够保持均衡。     

集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器

高压大容量DC/DC变换器是直流电网中电压变换的关键设备。提出一种集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器,利用变换器自身控制实现直流侧短路故障阻断功能,具有轻量化、低成本、高效率的优势。首先,分析该变换器的拓扑结构、工作原理,推导子模块、晶闸管、二极管等器件的参数设计依据;然后,提出闭锁子模块和晶闸管阻断故障电流的机制,设计适应于该变换器的控制方案;其次,分别针对正常工况与故障工况进行了仿真与实验验证,结果表明该变换器拓扑结构及控制策略的有效性;最后,通过与其他典型的集成直流断路器功能的DC/DC拓扑进行对比分析,评估所提变换器的技术经济性。     

软开关谐振复位双管正激DC/DC变流器

提出了一种新颖的双管正激DC/DC变流器,利用谐振复位使变流器工作在0.5以上的占空比,利用变压器二次侧串联饱和电感的方法使变流器所有开关管实现软开关,适于宽范围输入、高效率要求的应用场合.分析了变流器的工作原理,对变流器的特性进行了详细的分析.最后以一台250～400V直流输入,54V/5A输出的样机验证了该变流器的可行性.     

DC/DC多模块串并联组合系统控制策略

将多个标准化DC/DC变换器模块的输入和输出分别串联或并联,可以得到四类多模块串并联组合系统,分别可以有效地适用于不同的应用场合。针对四类DC/DC多模块串并联组合系统,本文分析了各模块的输入均压/均流与输出均压/均流的内在关系并确定了每类组合系统的控制对象。对于输入并联型系统,既可以采用输入均流控制,也可以采用输出均流控制(输入并联输出并联型系统)或者输出均压控制(输入并联输出串联型系统),而对于输入串联型系统,只能采用输入均压控制。在此基础上,提出了一种新的控制策略,实现了输入均压/均流(输出均压/均流)控制与输出电压控制的解耦,经进一步推导,该控制策略还可以实现串并联组合系统的模块化,不需要额外的控制环节。最后以三台全桥变换器的串并联组合系统实验验证了该控制策略的有效性。     

用于新能源发电系统ZVS多端口DC/DC变流器

提出一种应用于新能源发电系统的多端口双向DC/DC变流器。该变流器由两个有源全桥、一个有源半桥和一个三绕组高频变压器组成。通过调节变压器两侧电压的移相角可实现输入和输出侧的双向能量流动。利用缓冲电容和变压器的漏感实现软开关,并对升压模式下的能量流动和软开关条件进行详细理论分析,改变移相角可以影响软开关的范围。最后通过仿真和实验验证了多端口双向DC/DC变流器的性能。     

采用混合子模块的四端口模块化多电平DC/DC变换器

随着电网中可再生能源的大规模接入以及高压直流输电技术的发展,高压大容量DC/DC变换器成为不同电压等级直流电网互联的关键。为解决多端高压直流电网互联的问题,本文以四端直流电网互联为例,研究了四端口模块化多电平DC/DC变换器。针对常规半桥子模块不能实现直流侧短路故障阻断的问题,本文提出交叉连接双半桥子模块与三电平双半桥子模块混合的模块化多电平DC-DC变换器方案,该方案能有效阻断直流故障,且具有较好的经济性。进一步地,给出了采用混合子模块方案的简化模型,用于子模块数量众多时变换器在正常工况以及故障工况下的仿真。最后,通过Matlab/Simulink对所提出的混合子模块四端口模块化多电平DC/DC变换器进行了仿真验证,证实了所提方案的可行性以及简化模型的正确性。     

直流微网双向DC/AC变流器的协调控制

直流微网并网运行时,常通过多个双向DC/AC变流器实现与大电网的互联.为实现该工况下系统稳定运行并解决多台双向DC/AC变流器并联功率分配问题,提出了一种双向DC/AC变流器的交流功率-直流电压下垂控制方法.该方法通过测量变流器交流侧有功功率,按照预设下垂曲线调节直流侧电压指令值,实现直流微网与电网功率双向流动,以及多台双向DC/AC变流器的协调运行.其次,建立了所提控制方法的小信号模型,分析了下垂系数对系统稳态及动态性能的影响.最后,仿真与实验结果表明,所提控制策略可按照预设下垂曲线调节直流母线电压和进行多台双向变流器功率分配,快速响应上层调度指令以及直流微网内功率变化,具有较好的动稳态性能.     

张北数据港柔性变电站DC/AC变流器关键控制策略

柔性直流输电是实现新能源并网和直流电网的极具潜力的输电方式。文中在张北数据港设计构造了一台柔性直流输电系统用DC/AC变流器。所设计的变流器采用多变流器并联+z型接地变压器结构。为抑制离网下由于负荷特性而造成的输出电压不平衡与输出电压畸变问题,分别提出了变流器输出电压不平衡控制策略与输出电压谐波抑制策略,以保证设备的供电质量。为保证设备的不间断供电并提高设备的供电可靠性,提出一种主动限流控制策略,在设备离网供电模式下电力系统发生短路故障时进行主动限流。最后,搭建了2.5 MW DC/AC变流器进行实验研究。实验结果验证了所提控制策略的有效性。目前,该装置已应用于张北数据港柔性变电站。     

一种模块化多电平DC/DC变换器的基频调制策略

电气拓扑采用模块化多电平技术的高压大容量DC/DC变换器是构建直流电网的关键装备之一。与柔性直流输电系统中的工频运行工况不同,基于模块化多电平的DC/DC变换器可运行于中/高频。若仍采用工频工况下的最近电平逼近调制策略及电容排序均压,会带来子模块开关损耗大及数字控制系统运算负担重等一系列问题。为此,提出了一种适用于模块化多电平DC/DC变换器的基频调制策略,阐述了基频调制的基本需求及其实现方法,提出了与基频调制相应的电压及电压增量双排序均压策略,并分析了基频调制策略对子模块电容参数设计的影响。通过仿真和实验对提出的基频调制策略和双排序均压算法进行了验证,结果证明该调制策略能有效降低功率器件开关损耗,改善交流输出电压波形的总谐波失真,缓解数字控制系统的运算负担,并与控制策略具有良好的兼容性。     

自适应下垂控制的三电平DC/DC并联均流方法研究

分析传统下垂控制的三电平DC/DC变换器多模块并联均流电压偏差较大,且各并联模块功率不均分的原因,提出了一种自适应下垂控制的三电平DC/DC变换器多模块并联均流控制方法。通过实时采集各并联变换器的电压和电流,建立变换器下垂系数与负荷功率之间的数学模型,自适应调整下垂系数使直流母线电压跟随给定值。构建直流微电网仿真模型,在相同工况下利用MATLAB/Simulink软件平台,仿真分析传统下垂控制和自适应下垂控制对三电平DC/DC变换器多模块并联直流母线电压降落和功率分配进行对比分析,验证了自适应下垂控制对三电平DC/DC变换器多模块并联的可行性,实现了不同额定功率的三电平DC/DC变换器间的“功率均分”,同时极大的改善了由于线路阻抗导致的电压降,提高了直流母线的电能质量。     

三相AC/DC变换器的滑模电流控制

针对三相PWMAC/DC变换器的输入电流调节,提出了一种滑模电流控制策略,其直流侧输出电压通过PI控制器调节。在该控制策略下,PWMAC/DC变换器具有功率因数为1的高输入电能质量和极佳的输出电压特性。实验结果证明了该方案的有效性。     

自适应下垂控制的三电平DC/DC变换器并联均流方法研究

分析传统下垂控制的三电平DC/DC变换器多模块并联均流电压偏差较大,且各并联模块功率不均分的原因,提出了一种自适应下垂控制的三电平DC/DC变换器多模块并联均流控制方法。通过实时采集各并联变换器的电压和电流,建立变换器下垂系数与负荷功率之间的数学模型,自适应调整下垂系数使直流母线电压跟随给定值。构建直流微电网仿真模型,在相同工况下利用MATLAB/Simulink软件平台,仿真分析传统下垂控制和自适应下垂控制对三电平DC/DC变换器多模块并联直流母线电压降落和功率分配进行对比分析,验证了自适应下垂控制对三电平DC/DC变换器多模块并联的可行性,实现了不同额定功率的三电平DC/DC变换器间的"功率均分",同时极大地改善了由于线路阻抗导致的电压降,提高了直流母线的电能质量。     

基于超级电容的宽输入范围DC/DC变换器设计

针对输入电压波动导致大功率超级电容充电装置输出范围窄、控制精度不高的问题,研究了一种基于超级电容的宽输入范围DC/DC变换器。该变换器采用Buck-移相全桥变换器的两级变换,同时具备宽电压调节范围和负载移相全桥变换器软开关的特点。通过分析超级电容的等效电路模型,对直流母线电压控制提出了基于功率环的电压电流双环控制方法,可以快速跟随输入电压变化,保持母线电流平稳,并在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型进行分析。最后,通过在白俄罗斯明斯克公交系统300 kW充电桩上的应用,验证了该设计的可行性。     

基于多重化DC/DC变换器的储能变流器研究

为了满足越来越大的储能系统规模对大功率储能变流器的需求,将多重化DC/DC变换器引入储能变流器的拓扑结构。对多重化DC/DC变换器的电流纹波及谐波特性的分析表明其具有显著优势。储能变流器的控制策略加入基于直流母线电压的下垂控制。对所研究的储能变流器拓扑结构及控制策略进行仿真并搭建样机。仿真和实验结果表明,所设计的基于多重化DC/DC变换器储能变流器性能具备大功率充放电的功能并且性能优良。     

一种新型临界模式控制的变频软开关全桥DC/DC变流器

储能电感位于原边的全桥DC/DC变流器(full bridgeconverter with primary side energy storage inductor,FB-PESI),采用传统的固定频率、移向控制(phase-shift,PS)方式时主要工作于断续导通模式(discontinuous conductionmode,DCM),不适合应用于宽范围电压输入的场合。为克服PSFB-PESI变流器的这一缺点,提出一种新型的采用变频(variable frequency,VF)控制策略的FB-PESI DC/DC变流器(VFFB-PESI)。该VFFB-PESI变流器不仅保留了PSFB-PESI变流器宽范围软开关、高效率、高功率密度的优点,还可始终工作于临界导通模式(critical continuous operation mode,CrCM),从而在宽输入电压范围内均可获得较高的变换效率。同时给出了针对该VFFB-PESI变流器的损耗分析方法和优化设计流程。通过制作的300 W、200~400 V输入、12 V输出样机实验,验证了理论分析的正确性。     

基于飞跨电感的高升压比级联式DC/DC变换器

高升压比DC/DC变换器在微电源并网、不间断电源以及车载电源等场合均有广泛应用。飞跨电感模块,既具有升、降压能力,又可以实现能量双向流动。利用多个飞跨电感模块输入、输出端串、并联组成共正极、共负极和不共地3种不同结构的级联式高升压比DC/DC变换器,其均可在较合适的占空比下维持较低的电流应力,获得高电压增益。模块间采用载波移相调制可以减小模块输入侧电流纹波、变换器输出电压纹波和输出滤波电容容值。详细介绍了飞跨电感模块和DC/DC变换器的结构及工作原理,并以其中不共地变换器拓扑为例通过仿真和实验验证了其正确性。所提变换器具有电压增益便于调节、扩容方便和应用范围广等优点。