优化负载变换器输入阻抗的输入电流内环控制方法

为提高级联系统的稳定性,应尽量减小源变换器输出和负载变换器输入阻抗的交集区。一方面,尽量减小源变换器的输出阻抗;另一方面,尽量增大负载变换器的输入阻抗。基于DC-DC变换器的一般性小信号模型,提出以平均输入电流环为内环、输出电压环为外环的双环控制方法,分析在这种控制方式下影响变换器输入阻抗的因素,并给出改变内环电流采样系数前后变换器输入阻抗的量化计算过程。分析表明,当电流内环的截止频率大于电压外环截止频率时,增大电流采样系数,能够提高电流内环环路增益,有效增大负载变换器的输入阻抗。从而在级联系统中,能够有效减小负载变换器的输入阻抗与源变换器输出阻抗的交集,提高级联系统的稳定性。通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。     

分布式电源系统中变换器的输出阻抗与稳定性分析

稳定性问题是分布式电源系统的关键问题,它由源变换器的输出阻抗和负载变换器的输入阻抗共同决定.采用理论分析和实验相结合的方法,对连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)下Buck型DC-DC变换器输出阻抗的小信号模型、影响因素及优化设计方法进行研究,为制定分布式电源系统中变换器的阻抗标准提供了参考依据.给出一种实用的电流扰动测试法,可以测量变换器的输入、输出阻抗以及级联变换器的阻抗比.采用此方法对搭建的一个级联式DC-DC变换器系统的阻抗比进行测量,并根据阻抗比禁止区对系统的稳定性进行判断.     

基于群特性分析的DC-DC变换器级联系统稳定性判据

电力电子变换器级联的稳定性分析是一个尚未解决的问题,线性电路的阻抗匹配规律不适合开关电路级联系统的分析和研究。为此,论文尝试将研究对称性的基本理论——群论引入到DC-DC变换器级联系统的分析中,试图根据DC-DC变换器级联系统的物理结构,定义基本DC-DC变换器级联系统的群集合,探讨它们的群特性,揭示群特性与级联特性之间的联系及物理意义,由此初步提出一个基于群特性分析的DC-DC变换器级联系统的稳定性判据,为解决DC-DC变换器级联的问题提供一个新的数学工具。     

级联变换器系统的小信号模型及稳定性判据

分布式电源系统在电动汽车、工业控制、通讯等行业得到大量应用。级联是分布式电源系统中各变换器的一种典型连接方式,由于变换器之间的交互影响,可能导致级联变换器系统出现稳定性问题。目前的研究主要集中于电压-电压型级联变换器系统的稳定性分析、阻抗测试及设计方面。该文的目的在于系统地研究各种类型级联变换器系统的小信号模型,在此基础上得出各自的稳定性判据。首先建立了电压源型及电流源型变换器的二端口小信号模型。然后根据级联变换器系统中源变换器及负载变换器的类型,将级联变换器系统分为电压-电压型、电压-电流型、电流-电压型以及电流-电流型这4类,分别建立了它们的小信号模型,并得出了相应的稳定性判据。最后以电压-电压型级联变换器系统为例,通过将仿真及理论计算结果进行对比分析,验证了所建立的小信号模型的正确性。     

级联式双向DC-DC变换器的优化控制方法

级联式双向DC-DC变换器的传统双闭环比例-积分(PI)控制方法存在调节器参数多、整定工作量大等不足,而且受限于PI控制的内在局限性,系统的动态性能不够理想。针对级联式双向DC-DC变换器的实际控制需求,综合考虑传统双闭环PI控制和模型预测控制的各自优势,将二者有机结合,构建了一套折中优化的控制方法,即在第一级双向DC-DC变换器中采用传统双闭环PI控制,而在第二级双向DC-DC变换器中设计并实现改进的模型预测控制策略。将提出的优化控制方法与传统双闭环控制和经典模型预测控制分别进行了仿真和实验比较。结果表明,相对于传统的双闭环控制,采用提出的优化控制方法可以显著改善级联式双向DC-DC变换器的动态性能,而相对于经典的模型预测控制,该优化控制方法运算量减少了45.22%。     

DC-DC变换器的最小投影法切换律

采用分段线性系统分析方法,DC-DC变换器的稳定性研究和控制器设计变得十分简单和有效。为此,该文建立DC-DC变换器的切换线性系统模型,引入切换线性系统投影法的概念,提出最小投影法切换律的控制策略。具体论述了DC-DC变换器实现无源控制与全局稳定性的切换律设计方法与步骤,并针对该切换律与平衡点相关的特点,在设计中进行平衡点的补偿以提高切换律的鲁棒性与收敛率。此外,为解决最小投影法切换律存在的滑模问题,还进行适合于DC-DC 变换器的延时切换器设计。仿真和实验结果表明该文提出的最小投影法切换律在实际DC-DC变换器中具有普遍适用性。     

基于多线圈变压器的DC-DC变换器闭环控制策略

级联式DC-DC变换器因具备高耐压能力的优势,被广泛应用于高压直流输电。在级联式变换器中,将多个模块中的独立变压器整合为一个共享磁芯回路的多线圈变压器,可自动均衡模块电容电压,降低系统复杂程度。针对基于多线圈的级联式DC-DC变换器提出了一种闭环控制策略,为设计移相闭环控制器,采用周期平均法及小信号动态分析法对系统进行建模,引入校正环节改善了系统的稳态和暂态性能,实现了级联式DC-DC变换器输出电压的稳定控制。最后,在Matlab/Simulink环境中搭建了系统仿真模型,验证了所提级联式DC-DC变换器闭环控制方法的可行性。     

直流分布式电力系统变换器终端特性研究

直流分布式电力系统在集成过程中存在一些典型问题:各变换器单独工作时稳定,集成后由于子系统间相互干扰导致集成系统不稳定;集成系统动态特性无法利用传统方法即电路的状态方程预测。针对此问题,从元件级出发,设计电压反馈控制型DC/DC变换器,采用间接的频域法设计相应补偿网络,改善并比较补偿前后变换器的终端特性。在Saber仿真平台下,利用可靠且先进的终端特性测量方法,实现终端特性的频域仿真测量;通过时域仿真验证变换器终端特性所反映的电源调整率、负载调整率以及该变换器作为源变换器级联恒功率负载时级联系统的稳定性。     

电压型级联系统中减小源变换器输出阻抗的有源阻尼控制方法

在级联系统中,源变换器和负载变换器之间阻抗的相互作用可能会影响系统的稳定性。许多文献分析了不同控制方法、电路参数等因素对变换器阻抗特性的影响,并针对优化变换器的阻抗设计提出了多种无源阻尼或者控制的方法,从而提高变换器的稳定裕度,以保证变换器构成的级联系统维持稳定。本文基于变换器的小信号模型,提出了一种实现虚拟电阻的有源阻尼控制方法,以降低变换器的输出阻抗,优化其阻尼特性。该方法通过采样变换器输出电压中的交流分量,经过有源阻尼控制器作用后叠加至调制波以产生控制信号,从而实现在变换器小信号模型的输出端连接虚拟电阻的效果,达到降低输出阻抗的目的。由于虚拟电阻仅存在于小信号模型中,所以变换器的稳态工作点不受影响。通过仿真和实验验证了该方法的正确性。     

交直流微电网中变换器级联系统稳定性分析与协同控制

交直流微电网将成为未来配用电系统的重要组成形式,受到广泛的关注。但其中的恒功率负载具有负阻抗特性,容易引发母线电压振荡,不利于系统稳定运行。该文以控制母线电压的源变换器双向DC/DC和控制功率的负载变换器双向DC/AC为研究对象,建立直流变换器级联系统的等效阻抗模型,并进行稳定性分析。研究表明,LC滤波器会增大系统低频段输出阻抗,造成直流母线电压出现输出阻抗峰值频率附近的振荡。对此,该文提出一种协同控制方法,引入电压和功率协同控制,同时调整源变换器的输出阻抗和负载变换器的输入阻抗,从而减少级联系统输出阻抗的幅值并增加输入阻抗的相位,扩大系统的稳定裕度。最后,通过仿真和实验验证该文的分析和所提控制方法的有效性。     

MMC型级联变换器阻抗建模和稳定性分析

工程中常通过不同类型的变换器灵活级联以实现不同的功能,然而变换器级联系统中前、后级变换器之间的相互作用可能会导致系统稳定裕度不足甚至失稳,不同类型的模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)级联也将面临稳定性问题。建立了MMC型级联变换器的稳定性分析模型,并提出了一种基于串联阻尼电阻的稳定性提升策略。首先,建立了MMC型AC/DC变换器和DC/DC变换器的阻抗模型,在稳态工作点附近推导出两种MMC型变换器的小信号模型,从而获得前级变换器的输出阻抗和后级变换器的输入阻抗。其次,分析了MMC型级联变换器的稳定性,结果表明,当前级变换器输出阻抗与后级变换器输入阻抗不匹配时,级联系统稳定性裕度可能不足导致系统失稳。进而,分析了MMC型级联变换器的平波电感、桥臂电感和子模块电容等一次参数对级联系统稳定性的影响。最后,提出了一种基于串联阻尼电阻的稳定性提升方法,并给出了串联阻尼电阻的选择建议。仿真结果表明提出的稳定性控制方法可有效提升MMC型变换器级联系统的稳定性。     

DC/DC与DC/AC级联变流器阻抗协调控制策略

在back-to-back级联变流器系统中,前级子变流器的输出阻抗与后级子变流器的输入阻抗相互影响,如果系统参数设计不合理,将会恶化系统稳定性。该文提出了一种阻抗协调控制策略,将级联系统的前级子变流器和后级子变流器的低频阻抗均呈现为阻性阻抗,使得低频相移为0,从而提高back-to-back级联变流器系统的稳定性。基于双H桥DC/DC变流器和三相两电平逆变器级联拓扑结构,对所提控制策略与传统控制策略进行了比较。基于阻抗特性的稳定性判据显示,在低频范围内,所提控制策略可以促进前级功率源变流器和后级负载变流器面向中间直流母线侧呈现阻性阻抗,从而显著降低阻抗匹配作用产生的相移,有助于提高系统的稳定性。最后通过仿真和实验验证了所提出控制策略的有效性。     

并网变流器的频率耦合阻抗模型及其稳定性分析

可再生能源并网系统中,如光伏、风电以及无功补偿等并网均采用电压源型变流器。变流器与交流电网之间的相互作用会引发新的振荡问题,阻抗模型分析成为研究此类问题的重要方法。多数阻抗模型往往忽略了变流器外环控制和频率耦合的影响,适用于变流器高频动态特性研究,但在分析变流器中低频动态(如次同步振荡)方面不够精确。为弥补这一缺陷,文中针对典型电压源型并网变流器提出了一种频率耦合阻抗模型,同时考虑了互补频率耦合效应和外环控制,采用详细电磁模型时域仿真与辨识验证了阻抗模型推导的正确性。进一步构建并网系统的整体阻抗模型,分析变流器并网系统的稳定性,时域仿真结果证实了所提模型在中低频率振荡分析中的有效性。     

DC-DC变换器中负载阻抗特性及其对稳定性的影响

作为开关电源的核心部分,DC-DC变换器在实际应用中可能带有电感性的阻抗负载,这将对系统的稳定性产生影响。基于稳定设计的考虑,考察变换器对阻抗负载中寄生电感分量的容忍度,得到对应电路稳定的电感分量阈值,并对电路负载的阻抗效应进行综合分析。建立包含负载电感分量在内的变换器高维模型,并构造电路的离散迭代映射,通过计算平衡点附近的特征根,来分析当寄生电感分量变化时系统状态的演化过程及对电路稳定性的影响。相关的电路精确仿真、理论分析和电路实验均证明,阻抗负载存在一个对应系统不稳定的电感分量区间,而电路参数将对该区间的范围存在一定的影响。     

PWM DC-DC变换器混杂动态系统的能控性和能观性

在PWM DC-DC变换器研究中引入混杂动态系统和切换线性系统的概念和相关理论,研究PWM DC-DC变换器的能控性和能观性.首先将PWM DC-DC变换器建立为周期型切换线性系统模型,然后根据周期型切换线性系统的一个周期之后和多周期的能控性和能观性定义及定理,以Buck PWM变换器为例,分析变换器一个周期之后和多周期的能控性和能观性,最后对Buck PWM变换器进行能控性实验验证.实验结果表明,在负载阶跃变化的情况下,变换器输出完全可以控制并且稳定在设计值,这和Buck PWM变换器作为周期型切换线性系统模型的能控性分析结果是一致的.本文的研究还表明,研究方法也适应于其他功率变换器能控性和能观性的研究.     

光伏级联DC/DC变换器模式切换稳定性分析及降压运行策略

在光伏直流升压汇集系统中,光伏侧DC/DC变换器通过级联拓扑可实现光伏功率升压直流送出。当光伏输入侧功率差异较大时,级联变换器会在最大功率点跟踪模式和定电压模式间切换,模式切换控制会引起系统稳定性变化。文章以级联隔离升压全桥变换器为研究对象,建立变换器在电导增量法-最大功率点跟踪控制、定电压控制下的小信号输出阻抗模型和级联系统等效阻抗模型,根据阻抗稳定性判据评估控制模式切换下系统稳定性差异。当变换器由最大功率点跟踪模式切换为定电压模式时会降低系统稳定性能,且随着切换控制模式模块数量的增多稳定性显著减小。在此情况下,可采用母线电压降压运行的方案,尽可能使光伏侧DC/DC变换器工作在最大功率点跟踪模式,以维持系统的稳定性。在Matlab/Simulink中搭建级联系统仿真模型,验证了理论分析的正确性。     

基于阻抗网络模型的多变流器直流微电网小扰动稳定性分析

大量新能源设备与负荷通过电力电子变流器接入直流微电网,导致多变流器直流微电网(MCDCM)的小干扰稳定性面临严峻挑战,且使用传统阻抗比与状态空间模型分析MCDCM时存在一定的局限性.基于变流器端口的阻抗特性,建立MCDCM的阻抗网络模型与具有开环稳定特性的负反馈系统,并将阻抗网络模型应用于直流微电网的稳定性判别与设计.一个包含6个变流器的MCDCM的时域仿真结果验证了该方法在MCDCM稳定性判别与设计中的优势.