用于柔性直流配电的高频链直流固态变压器

提出直流固态变压器(DC solid state transformer, DCSST)将作为柔性直流配网中的关键环节,以实现高压直流配电和低压直流微电网间电压和功率的灵活控制和快速管理。文中给出一种基于高频隔离的双向DCSST方案,其具有与传统隔离双向DC/DC变换器类似的传输功率模型;串联端的电压平衡与并联端的功率平衡等价;并且较易实现分布式、模块化和即插即用的软硬件结构。文中给出DCSST的拓扑结构、工作模式、传输功率特性、控制和管理策略、设计和实现方法;在此基础上,基于SiC功率器件,搭建用于柔性直流配网的DCSST样机,验证控制和设计方法的正确性和有效性。随着柔性直流输配电的快速推广,DCSST具有较大的应用前景。     

基于精确反馈线性化的直流微电网双向直流变换器反步滑模控制

直流微网中母线电压的变化对负载有很大的影响。储能系统通过双向直流变换器调节直流母线电压的过程中,占空比会大幅度变化,使变换器呈现严重的非线性,导致母线电压不稳定。针对这一问题,将精确反馈线性化与反步滑模控制相结合应用于双向直流变换器中,解决了变换器的非最小相位特性和变结构特性,保证了系统在不确定性和非线性条件下、外界干扰情况下的鲁棒性和稳定性。首先分析了变换器的状态方程,通过坐标变换推导出精确反馈线性化模型,并在此模型上设计了反步滑模控制器。最后利用PSCAD软件进行仿真,验证了所提控制方法的有效性及优越性。     

基于鲁棒扰动观测器的直流微电网电压动态补偿控制

针对直流微电网中母线电压控制问题,设计一种基于鲁棒扰动观测器的动态补偿控制策略,完成DC-DC变换器的电压补偿。首先,在直流微电网系统架构的基础上对母线电压波动进行理论分析。其次,建立直流微电网系统的DC-DC变换器状态空间数学模型,得到控制系统的输入输出关系。根据鲁棒双互质分解和尤拉参数化稳定控制器理论,得到基于鲁棒扰动观测器的控制架构,应用模型匹配理论反向补偿电流扰动所产生的输出值。通过线性矩阵不等式(LMI)方法求解电压环补偿控制器,并根据DC-DC变换器的动态结构图设计电流环补偿控制器。半实物仿真结果表明,该架构能够在不改变原系统结构参数的前提下,提升DC-DC变换器的动态性能,抑制负载投切、功率波动以及交流侧负载不平衡等引起的直流母线电压波动,增强系统的鲁棒性。     

基于电压前馈的输入串联输出并联型直流变压器反下垂控制策略

以双有源全桥(dual active bridge,DAB)DC-DC变换器为基本功率单元的输入串联输出并联(inputseries-output-parallel,ISOP)型直流变压器(DC solid state transformer,DCSST)十分适用于直流电网互联或大规模新能源汇集等高压大容量应用场合。文中针对现有的反下垂控制方法无法兼顾均压/均流特性与输出电压调整率的缺点,提出了一种电压前馈的反下垂控制方法。通过引入输入电压均值前馈实现了直流变压器输入电压与输出电压的解耦,使得直流变压器在实现均压/均流运行的同时,具有较好的稳压性能。最后,于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了以DAB变换器为基本功率单元的三单元ISOP型直流变压器仿真模型,对所提出的算法进行了对比实验验证。实验结果表明:该方法可以实现直流变压器各模块的传输功率平衡,同时具有较好的稳压性能。     

含恒功率负载的直流微网大信号稳定性分析

直流微网中,多种电力电子变换器通过不同的控制方式连接在直流母线以实现母线电压的稳定。其中有一类功率变换器表现为恒功率特征,呈现负阻抗和非线性特性,对直流微网的稳定性产生不利影响。针对含多个恒功率负载直流微网的大信号稳定性问题,该文分别用混合势函数理论和Lyapunov特征值法对直流微网的功率界限进行估计,并分析比较电路参数对功率界限的影响;分别用T-S模糊模型方法和逆轨迹法对直流微网的渐进稳定域进行估计,同时分析比较两种方法的估计精度以及电路参数对渐进稳定域的影响。最后通过仿真对功率界限和渐进稳定域估计方法的有效性进行验证。     

直流固态变压器新型均衡解耦控制策略

直流固态变压器(DC solid state transformer,DCSST)由双有源全桥(dual-active-bridge,DAB)变换器以输入串联输出并联(input-series output-parallel,ISOP)的方式组合而成,其运行时不仅要控制输出端电压稳定,还需控制各DAB子单元输入电压均衡,并且均压控制与输出电压控制需实现解耦。基于DCSST小信号模型的传统均衡解耦控制方法在输入电压受不均衡扰动较大的情况下会产生解耦误差,影响输出电压控制。针对该问题,文章深入分析了以往均衡控制策略产生解耦误差的原因,由此提出一种新型均衡解耦控制策略。通过定义虚拟控制量实现DCSST模型的完全线性化,进而通过令均压控制量之和为零以及对输出电压控制量进行补偿,消除了耦合影响。仿真与实验结果表明,所提控制方法在DCSST承受较大程度输入电压不均衡扰动时,能够较好地消除输入均压控制对输出电压的耦合影响,其解耦效果明显优于传统控制方法。     

基于改进下垂控制的直流微电网大扰动稳定性分析

针对含恒功率负荷的改进下垂控制直流微电网系统大扰动稳定问题，本文基于混合势函数理论，提出一种适用于改进下垂控制的直流微电网系统稳定性判据推导方法。通过推导得到稳定性判据，给出恒功率负荷稳定运行边界和储能变换器下垂系数及幂指数的取值上界。该判据能够良好地反映改进下垂控制的直流微电网系统大扰动稳定性与储能变换器下垂系数及幂指数取值间的关联，为系统控制参数的选取提供了重要参考。仿真验证了所提方法和稳定性判据的正确性。     

双有源桥DC/DC变换器输出电压优化控制策略

基于电压控制的双有源桥(DAB)DC/DC变换器是直流微电网中控制直流母线电压的核心变流器装置,电容电压反馈控制作为DAB控制中的常用策略存在着控制系统增益与传输功率耦合的问题,并且控制性能受恒功率负载的负阻抗特性的影响较大。为优化DAB的控制性能,在充分分析耦合问题产生的原因、恒功率负载的负阻抗特性的影响的基础上提出了一种基于电容能量反馈解耦的优化控制策略。通过电容能量反馈控制消除DAB控制性能与恒功率负载的耦合;结合基于模型的解耦移相控制得到对应的移相控制信号,解除传输功率对控制系统闭环增益的耦合,实现了以DAB为核心的直流微电网控制性能的优化。理论分析与试验结果验证了所提控制策略的有效性     

基于平方和规划的带恒功率负载的直流微电网大信号稳定性分析

直流微电网中的恒功率负载由于具有负阻抗的特性,易在母线电压遭受大扰动时导致系统出现不稳定的情况,为此,提出基于平方和规划的带恒功率负载的直流微电网大信号稳定性分析方法。该文基于平方和规划提出了最大吸引域估算法,计算了带恒功率负载的直流微电网的吸引域,分析了系统的大信号稳定性。接着,分析了不同负载功率、不同系统参数对直流微电网系统稳定性的影响,为优化系统参数提升稳定性提供理论支撑。然后,讨论了所提方法与T-S模糊模型、混合势函数理论等不同方法估算吸引域的保守性。最后,基于MATLAB/Simulink时域仿真验证了所提方法可以有效判断系统的稳定性。     

非隔离双向直流变换器反步滑模控制方法研究

由于直流电网中直流母线电压的变化对储能系统的运行有干扰,且储能系统采用双向直流变换器调控直流母线电压时会产生严重的非线性问题,导致母线电压不稳定。因此提出非隔离双向直流变换器反步滑模控制方法,构建非隔离双向四端口直流变换器拓扑结构。该变换器采用单向和双向两种工作模式,且采用互补PWM控制方法控制双向直流变换器工作流程,并通过反步滑模变换器结构控制器,确保非隔离双向直流变换器在确定性差、非线性和外围影响状况下的稳定运行。实验验证该方法有效实现了非隔离双向直流变换器反步滑模控制,确保直流母线电压保持稳定,且方法具有较高的鲁棒性。     

基于滑模的直流微电网电压稳定方法

直流微电网中含有大量的 Boost变换器等电力电子器件,这些变换器表现为恒功率负载(CPL),具有负阻抗特性,会破坏系统的稳定性.为此提出一种基于滑模的控制方法,用于给 CPL提供稳定的功率和电压,提高系统稳定性.首先介绍了 CPL的负阻抗特性,然后通过雅克比矩阵和特征值分析 CPL引起的系统不稳定性,基于此提出一种滑模面,选取指数趋近率求解控制率,最后通过仿真验证了所提出的控制方法在不同工况下的有效性。     

直流固态变压器环流抑制策略

直流固态变压器(DC solid state transformer,DCSST)作为直流微电网中的重要组成部分,通常采用输入均压环和输出电压环结合的双环解耦控制策略,该控制策略在每个双有源全桥变换器(dual-active full-bridge converter,DAB)模块传输效率不一致的情况下,无法保证输出均流,从而降低直流固态变压器的运行效率。针对上述问题,提出一种基于虚拟阻抗的直流固态变压器控制策略,在传统控制的基础上加入环流反馈控制回路,并引入虚拟阻抗调节其环流阻抗,从而实现对每个双有源全桥变换器模块的环流控制,最终使得每个双有源全桥变换器模块的环流减小。所提控制策略使得直流固态变压器可以在子模块功率电路参数不同的情况下,同时保证各子模块输入均压与输出均流。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。     

模拟直流发电机特性的储能变换器控制策略

直流微电网的变换器均通过电力电子变换器接入直流母线,而电力电子变换器缺少惯性和阻尼作用,负载功率突变会引起变换器端口电压电流的振荡,给直流母线带来较大的冲击,影响微电网的稳定性。文中参考虚拟同步发电机在并网逆变器控制中的应用,提出了一种模拟直流发电机特性的储能变换器控制策略,使储能变换器具有直流发电机的端口特性,并建立小信号模型,利用阻抗比判据分析了其小信号稳定性。仿真和实验证明所提控制策略可以增强储能单元维持直流微电网内功率平衡的能力,提高直流微电网的供电质量。     

带恒功率负载的Boost变换器模糊自适应反步滑模控制

恒功率负载的负阻抗特性易导致DC/DC变换器系统输出电压不稳定。该文针对带恒功率负载的Boost变换器,提出一种模糊自适应反步滑模控制策略。首先应用精确反馈线性化将模型转化为布鲁诺夫斯基标准形式。然后在保证大信号稳定的前提下,将模糊自适应控制方法加入到反步滑模控制器的设计中,根据模糊自适应控制系统实时更新系统增益,利用李雅普诺夫理论证明整个闭环系统的稳定性。最后,仿真和实验结果表明,与传统的双闭环PI控制方法相比,该控制策略具有更好的动态调节性能和更强的鲁棒性。     

双有源桥直流储能系统软开关优化控制

传统直流储能系统中电容器荷电状态(state of charge, SOC)的变化会导致直流变换器两端电压不匹配,使得功率器件无法处在软开关状态,从而增加了开关损耗。通过分析软开关控制与电容器SOC之间的关系,本文提出一种双有源桥(dual active bridge, DAB)直流储能系统软开关优化控制,实现储能系统在充放电过程中,各功率器件始终处在软开关状态,维持直流母线电压稳定,降低功率损耗。该方法将储能电容SOC变化引入DAB移相控制,确定SOC与移相角的定量关系,使直流变换器功率器件满足软开关条件。根据直流母线电压及储能系统充放电特性,设计恒压、恒流充电和恒压、恒功率放电控制方法。仿真与实验结果验证了所设计软开关优化控制方法的有效性。     

双有源全桥变换器的超局部模型控制策略

随着高比例新能源及大量不确定负载通过直流变换器接入直流微电网,DC/DC变换器的控制策略对维持直流母线电压稳定起着重要的作用,但源荷的非线性不确定动态特性使得变换器精确建模困难。为此,提出了基于滑模观测器的双有源全桥变换器超局部模型控制策略,构建了DC/DC变换器超局部模型,引入滑模观测器精确估计超局部模型中的未知项,提升控制效果;并通过Lyapunov稳定性理论证明了该控制方法的稳定性。经搭建的仿真和实验平台验证得出：所提控制策略在各种扰动下均可使直流母线电压具有良好的稳定性及鲁棒性。     

基于非线性非仿射模型的直流微电网电压控制方法

提出了由光伏、储能、恒电阻负载和恒功率负载组成的直流微电网新型电压调节和最大功率点跟踪控制方法。该方法建立了具有非仿射输入的多输入多输出非线性直流微电网系统的动态模型。在此非线性动态模型的基础上,利用输出调节理论设计了局部状态反馈控制器,通过调节电压来规定设定值,使光伏功率输出达到最大。利用无源系统理论和李雅普诺夫稳定性理论研究了非仿射系统的全局设定点调节问题。在光照和负载同时发生变化的情况下,通过仿真验证了所提控制方案的有效性。     

基于线性状态反馈的直流微电网稳定方法

直流微电网中含有大量的电力电子变换器,这些变换器在闭环控制下表现为恒功率负载特性,可能会引起直流微电网的稳定问题。提出基于线性状态反馈的直流微电网稳定方法。该方法通过引入线性状态反馈支路,抵消了恒功率负载的影响,从而确保了整个直流微电网稳定运行。仿真实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。     

楼宇直流微网用直流母线功率分级控制的新型多输入直流变换器研究

针对传统多输入变换器存在的输入/输出电压反极性、分布式能源汇集结构复杂等问题,提出一种新型多输入直流Buck-Boost变换器,有效实现楼宇直流微网中的风光混合供电,且将蓄电池直接嵌入变换器中,减小体积和降低成本。该变换器具有电路拓扑简洁、可实现升/降压、输入/输出电压同极性、各种分布式输入源可单独或同时向负载供电、蓄电池能根据负载功率变化吸收或释放功率等优点。以三输入为例分析了变换器的工作模式、推导其输入输出特性、提出基于直流母线功率的分级控制实现能量管理。通过Matlab/Simulink平台的仿真实验验证了该变换器的可行性和控制策略的有效性。     

含恒功率负荷直流微电网的状态反馈电压振荡控制技术

扰动发生后新能源发电和恒功率负荷侧换流器在现有功率控制模式下所表现出的负阻抗特性,会大幅增加直流电压振荡失稳的风险.为此,首先针对直流电压振荡失稳的问题,推导含恒功率负荷两端直流微电网的小扰动线性化状态方程.其次,结合各状态变量的参与因子,选取振荡电流、电压作为可调节控制参数,将其分别引入储能换流器与恒功率负荷换流器的占空比反馈环节中,提出基于状态反馈的多端直流电压振荡控制方法.然后,利用根轨迹、Bode图分析附加状态反馈电压振荡控制技术后的直流微电网稳定裕度的变化规律,为控制参数设计提供依据.最后,搭建时域仿真系统,验证了所提出的控制方法可有效抑制直流微电网的电压振荡,显著提高系统的动态稳定性.