基于超螺旋二阶滑模理论的直流微电网母线电压控制

针对直流微电网系统中的负载波动、参数摄动等不确定因素造成的母线电压稳定性问题,提出了一种超螺旋二阶滑模控制策略。文中以直流微电网三相AC-DC变流器为主体,通过合理选取滑模变量,利用Super-twisting思想设计了直流微电网三相AC-DC变流器电压外环二阶滑模控制器,该控制器既保留了传统滑模的强鲁棒性,又有效地削弱了控制系统抖振;根据Lyapunov第二定律,给出了超螺旋二阶滑模的稳定性条件。通过数值仿真验证了该控制策略的可行性与正确性。     

Novel Piezoelectric-Based Power Supply for Driving Piezoelectric Actuators Designed for Active Vibration Damping Applications

This paper describes a novel step-up DC-AC piezoelectric-based power supply for driving piezoelectric actuators. Piezoelectric actuators have been demonstrated to be very attractive in applications requiring fast response and high actuation force, such as active damping applications. These actuators are commonly installed in self-powered systems (cars, helicopters, aircrafts, satellites, etc.) with limitation in the battery performance, dimensions and maximum weight. Nevertheless, the required driving electrical AC voltage for these actuators is typically in the range of 100 V to 1000 V, quite far from the 9 to 24 V of common batteries. Thus, the use of heavy, large and EMI-noisy electromagnetic transformers becomes necessary which is a drawback for the compact size required. This paper introduces an alternative system for driving piezoelectric actuators using a novel design of piezoelectric transformer, the Transoner®. The proposed solution allows a reduction in size, weight and magnetic noise generation compared to the classical electromagnetic-based systems. The work represents a completely novel approach to the possibilities of piezoelectric transformers for powering high voltage piezoelectric actuators. The solution offers significant advantages in environments requiring high integration, low weight, and low electromagnetic interferences operated with batteries. A circuit configuration capable of converting a 24 V DC input voltage up to 600 V _pp AC output voltage with frequency and magnitude control is implemented. Experimental results are presented for a standard multilayer piezoelectric actuator driven at 100 V _pp within the range of 10 Hz to 500 Hz.     

Buck变换器多幂次趋近律滑模控制研究

为使Buck变换器输出电压响应速度快、增强系统鲁棒性及控制精度,削弱传统滑模控制的抖振现象,提出了一种基于多幂次趋近律的滑模控制策略。根据Buck变换器工作模式,利用状态空间平均化法建立了数学模型,并基于多幂次趋近律设计了对应的滑模控制器。仿真和实验结果表明,相对于传统PI控制策略,采用基于多幂次趋近律的滑模控制策略可使Buck变换器动态响应更快,鲁棒性更好。     

带开关电容网络的交错并联磁集成电感Boost变换器

针对传统交错并联Boost变换器电压增益低、开关管电压应力高、电感电流纹波大等问题,提出一种新型交错并联Boost变换器。该变换器用2个开关电感单元分别代替储能电感L₁和L₂,并对开关电感进行耦合集成,在此基础上增加了1个二极管和2个电容构成开关电容网络。分析了变换器在不同占空比下的工作模态,推导了电压增益公式,分析了开关管电压应力和电感电流纹波的大小。与传统交错并联Boost变换器相比,该变换器性能得到明显提升,尤其在占空比D>0.5的情况下电压增益是传统交错并联Boost变换器的3（1+D）倍,开关管的电压应力减小了2/3,电感电流纹波也减小近一半。最后实验验证了理论分析的正确性。表明带开关电容网络的交错并联磁集成电感Boost变换器有着优良的工作性能。     

电网电压不平衡下交直流混合微电网互联接口变换器分数阶滑模控制策略

针对并网型交直流混合微电网交流侧电压不平衡时会产生交流电流负序分量导致直流母线电压二倍频脉动的问题,提出了一种直流侧母线电压分数阶滑模控制以及交流侧负序电流抑制方法。首先,基于同步旋转坐标系下电网电压不平衡时交直流混合微电网互联接口变换器的数学模型,设计电压外环变结构滑模控制器。然后,根据电压不平衡时互联接口变换器的功率传输特性,提取交流侧三相电压的正序分量,得到交流侧负序电流抑制指令。接着,采用分数阶滑模趋近律设计内环电流解耦控制器,并利用李雅普诺夫函数进行稳定性校验。最后,基于Matlab/Simulink搭建的交直流混合微电网模型,验证了所提控制策略相较传统PI控制不仅抑制了三相电流的不平衡,而且将响应速度提升了近50%。     

基于扩张状态观测器的DFIG网侧变换器滑模控制

针对双馈风力发电机网侧变换器因负载变化和滤波参数摄动导致控制效果不佳的问题,提出一种扩张状态观测器（extended state observer, ESO）与滑模控制相结合的网侧变换器双闭环控制策略。内环采用以功率为状态变量的基于ESO的滑模直接功率控制,外环采用以电压平方为状态变量的基于ESO的滑模控制;应用ESO对系统状态变量与包含系统未建模动态、负载变化和滤波参数摄动等集总不确定项进行估计,即可无需系统的精确数学模型设计滑模控制方法,实现网侧变换器在复杂环境下的鲁棒控制,理论分析了ESO和滑模控制的稳定性。此外引入功率差前馈环节,减小负载变化时外环滑模控制非线性带来的冲击。最后通过负载变化和滤波参数摄动两个算例仿真,结果表明,与传统矢量控制和滑模控制相比,所提控制策略在复杂环境下具有更强的鲁棒性。     

新型功率放大器时变滑模控制方案研究

该文针对一种新型双向Buck逆变器提出了基于时变滑模面的滑模控制策略。该逆变器采用了两组独立对称的双向Buck电路，结合滑模控制策略，实现高性能的交直流信号功率放大。该文给出了电路的工作原理，对时变滑模面方程进行数学建模分析，研究了线性时不变和时变滑模面的动态特性、滑模区域存在条件和稳定条件，并对产生正弦波信号的时变滑模控制系统进行了深入分析。滑模控制方案能有效克服系统参变量变化和外部扰动，充分发挥了快速响应和鲁棒性强的优点。功率放大器可以实现交流信号的准确跟踪和放大，输出频率范围可达1000赫兹。通过1千瓦的实验得出结果，证明了分析设计的正确性。     

新型逆变器滑模控制方案研究

针对一种由两组独立对称的双向Buck变换器组合的新型DC/AC逆变器拓扑提出了滑模控制策略,实现信号的功率放大.给出了新型逆变电路的工作原理,对滑模控制进行了深入分析,并运用反函数变换替换参考源,在新建的相平面内改进了时不变的滑模面控制方程和控制规则.运用等效控制理论分析了滑模控制的存在和稳定条件,给出了滑模区域及动态设计和滞环控制设计依据.并且讨论了负载属性的影响以及寄生电阻对输出电压的影响.根据分析结果设计了滑模控制系数及系统参数.滑模控制方案使得滑模运动具有零阶动态特性,能有效克服系统参变量变化和外部扰动,充分发挥了快速响应和鲁棒性强的优点.实验结果证明了分析设计的正确性.     

无通信互联线储能系统的直流母线协调控制策略

针对无通信互联线的储能系统如何在不增加系统成本和复杂度的前提下维持直流母线功率平衡及电压稳定,提出了一种直流母线协调控制策略,DC/AC变流器采用定直流电压或定交流电压控制,两台DC/DC变换器采用包含电池充放电控制的改进型二阶直流电压偏差控制。通过对系统典型工况的分析,说明了系统中各个装置是如何协调工作的。搭建了微网实验平台对所提出的控制策略进行了实验验证,实验结果证明了该控制策略的有效性和实用性。     

基于GaN器件Buck电路死区功耗分析与优化

氮化镓功率器件以其优异的高速、高效特性而有望在电源转换领域取得广泛应用。在Buck开关电源应用中,系统采用GaN HEMT替换传统Si功率器件后,系统死区损耗成为阻碍系统效率提升的一个重要因素。针对GaN器件的电源转换系统死区功耗展开理论及仿真讨论,详细分析Si功率器件与GaN HEMT在buck型开关电源系统中不同的工作机制以及死区时间对系统功耗的影响。优化结果表明,输入电压为12 V、输出电压为1.2 V、开关频率为700 k Hz的GaN基电源转换系统,在死区时间Td1=20 ns、Td2=0 ns、负载电流为20 A的情况下系统转换效率可达到92%。     

基于VGLESO和滑模理论的直流配电网母线电压控制策略

针对直流配电网母线电压稳定性问题,设计了一种变增益线性扩张状态观测器(variable gain linear extended state observer,VGLESO),有效地解决了传统高增益线性扩张状态观测器(linear extended state observer extended state observer,LESO)在运行初始阶段输出存在峰值的问题。在此基础上进一步提出了一种变增益滑模自抗扰控制策略,将其应用到直流配电网AC-DC双向变流器控制系统中的电压外环。变增益滑模自抗扰控制策略在不需要增加额外电流传感器的情况下,就能够实现对系统总扰动的快速跟踪和补偿,有效地抑制了母线电压波动,提高了系统的动态响应。从理论上证明了VGLESO和变增益滑模自抗扰控制策略的稳定性。最后通过MATLAB/Simulink验证了该控制策略的可行性与正确性。     

一种宽工作范围Boost电路的滑模变结构控制策略研究

由于Boost变换器自身非线性以及非最小相位的结构特点,传统PI控制器能够保证Boost变换器在所设计的额定工作点附近稳定工作,并取得良好的动态和稳态性能。当Boost变换器的工作状态与额定点发生较大偏差时,其稳定性就无法保证。因此针对Boost变换器在偏离额定工作状态下的稳定性以及动态性能不足的问题,提出了一种滑模变结构控制与PI控制器相结合的控制策略。内环为采用电感电流为反馈量的滑模控制器,外环采用以输出电容电压为反馈量的PI控制器,并在滑模控制器中引入指数趋近律改善性能,提高了Boost变换器在宽范围工作下的稳定性和动态性能。基于Boost变换器模型,针对所提出的控制策略进行控制器参数设计,最后通过仿真与实验验证了控制策略的可行性与有效性。     

单向LC型直流—直流变换器的设计与控制

提出一种单向LC型直流—直流变换器,可用于互联两个电压等级不同的直流系统、单向地传输直流功率。该单向LC型直流—直流变换器由电压源型换流器、不控整流器,以及连接它们的LC电路构成。研究了单向LC型直流—直流变换器的拓扑设计,推导了其电感、电容设计步骤,设计了单向LC型变换器的功率控制方法,理论分析了直流故障时,故障电流幅值的大小。然后,在PSCAD/EMTDC上搭建了30 MW±10kV/±100kV仿真算例,验证了所提控制方法的正确性以及拓扑本身所具有的故障穿越能力。相较于其他直流—直流变换器,单向LC型直流—直流变换器具有直流升压比高、功率可控性好、制造成本低、具备直流故障穿越能力等优点。     

Boost变换器滑模变结构控制策略的研究

本文提出一种针对Boost变换器的滑模变结构控制器的数字化实现。Boost变换器由于存在开关动作是一种非线性系统,滑模变结构控制可以改变控制器结构,本质上适用于非线性系统。仿真数据表明,滑模控制器具有更好的动静态特性。整个系统可以稳定的工作在较宽的负载范围内,并且对外部扰动和系统内部参数变化不敏感。     

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。     

Improved Model Predictive Control of Three-level Voltage Source Converter

Abstract—In conventional model predictive control, 27 switching states for three-level power converters are evaluated online, and the state in which the cost function is the smallest will be applied in the next sampling period. The amount of calculation, however, is too high, and it may cause too high of a jump for the phase voltage or line voltage in the AC side of the three-level converter, which means that each switching action causes voltage variation to exceed U_dc/2. To solve these problems, an improved model predictive method is proposed in this article. The proposed method only needs a subset of all the three-level states, which is obtained by adding and subtracting two-level state groups in the current switching state, for prediction and optimization. The high jump of the AC-side voltage is effectively avoided, and computational effort is greatly reduced. In addition, reduced switching frequency is obtained. The experiments are carried out by the two methods, and the results verify the correctness and feasibility of the proposed control strategy.     

DFIG网侧变换器反馈线性化与滑模控制

为了提高双馈风力发电机(DFIG)网侧变换器(GSC)的动态性能,在建立GSC仿射非线性模型基础上,提出一种非线性复合控制策略。该控制策略在静止坐标系下对电流进行反馈线性化解耦,无需电网电压定向,同时电压外环采用含饱和函数的滑模控制,从而达到直流母线电压快速恒定以及电流跟踪控制的目的。仿真结果表明,该控制实现了GSC的稳定以及功率因数控制,验证了理论的正确性。上述控制策略相较于传统的控制方式,减少计算变量,能够保证系统快速收敛。     

基于滑模变结构控制的VSC-MTDC输电系统控制策略研究

以提高电压源型多端直流输电系统运行的可靠性和稳定性为目的,对整个输电系统进行了控制策略的研究。首先通过分析变流站的拓扑结构建立了变流站在dq坐标系下的仿射非线性数学模型,针对该模型采用基于精确线性化解耦的滑模变结构控制方法设计了变流站自身控制器。然后结合直流电压偏差控制和直流电压斜率控制各自的优点,设计了基于直流电压分段控制的多变流站间协调控制器,实现了在主导变流站故障退出后,系统仍能保证直流电压稳定和功率平衡。最后以一个典型的四端直流输电系统为例,在MATLAB/Simulink中建立了详细的模型,通过仿真验证了其具有良好的动态性能,并且通过与传统控制策略对比表明了本控制策略的优越性。     

Power quality enhancement using fuzzy sliding mode based pulse width modulation control strategy for unified power quality conditioner

This paper proposes a fixed switching methodology based on fuzzy sliding mode pulse width modulation (FSMPWM) control strategy for three-phase three-wire unified power quality conditioner (UPQC). The proposed FSMPWM control technique eliminates numerous power quality (PQ) problems such as current harmonics, load unbalance, voltage sag/swell, voltage unbalance, voltage distortion and phase-angle jump existing in the power distribution network. Initially, the design of FSMPWM is based on the implementation of sliding surface by proper extraction of reference current and voltage signals for UPQC. Subsequently, the equivalent control law is formulated for both shunt and series converter. With this consideration, Mamdani fuzzy rule base is designed at the sliding surface for generation of switching pulse. Moreover, the proposed method eliminates the chattering effects by smoothing the control law in a narrow boundary layer for generating fixed switching pulse for both shunt and series converter. The performance of proposed UPQC system has been simulated and analyzed by MATLAB/SIMULINK followed by real-time experimental studies accomplished with a real-time-hardware-in the loop (HIL) system in OPAL-RT simulator. Additionally, the efficacy of this proposed technique is compared with a conventional sliding mode controller (CSMC).     

直流微电网电压等级的选择及其稳定控制策略研究

针对直流微电网电压等级的选择与确定,在已有直流标准和直流工程电压等级基础上,考虑微电网容量和供电半径,进行运行损耗计算,从而选择最优的直流母线电压等级。针对直流微电网电压稳定控制,并网运行时采用储能DC/DC变流器控制直流母线电压稳定,AC/DC逆变器控制直流微电网并网功率。孤岛运行时采用储能DC/DC变流器控制直流母线电压稳定。在PSCAD/EMTDC中搭建直流微电网仿真模型,进行不同运行模式下的电压稳定控制策略仿真验证。结果表明,所采用的电压稳定控制策略,在光伏发电功率和负荷功率波动的情况下,能很好地控制直流微电网电压稳定。