用于电池储能系统的级联式电力电子变压器均衡及协调控制

针对用于电池储能系统的级联式电力电子变压器,提出基于混合脉宽多电平调制的电池均衡及协调控制策略。级联H桥采用混合脉宽调制可实现子模块功率双向独立调节,该策略利用这一特性对各电池单元进行差异化充放电及荷电状态均衡控制,同时保证系统总功率指令要求及网侧低谐波。为抑制混合脉宽调制时各H桥开关函数非线性时变及网侧功率指令变化引起的直流链电压波动,将整流级开关函数及功率指令作为前馈,提出了隔离双向DC/DC变换器的直流链电压协调控制方法。仿真和实验结果表明,所提控制策略可实现电池荷电状态曲线快速收敛及均衡、双向功率高性能控制以及直流链电压纹波有效抑制。     

电力电子变压器的内部能量流动协调控制策略

在电力电子变压器(PET)中,当级联H桥(CHB)和双有源桥(DAB)变换器的动态响应特性差异较大时,高、低压直流母线电压容易出现大幅波动。为解决此问题,文中提出了一种基于PET内部能量流动的协调控制策略。该策略由基于直流母线能量总和调节的CHB控制和基于直流母线能量协调的DAB模型预测控制这2个部分组成,能够将PET直流母线储能总量的波动定量地分配给高、低压直流母线共同承担,以使所有直流母线能量的相对偏差的平方和达到最小。该策略简化了PET闭环控制系统和控制参数设计的复杂性,能够提升直流电压的动态响应性能,并且通过补偿控制的方法有效抑制了DAB中的二次功率传输。理论分析表明,所提控制策略对于电路参数的不一致有较强的鲁棒性。仿真结果验证了所提控制方法的正确性和有效性。     

适用于PET的负载电流前馈控制策略

电力电子变压器(power electronic transformer,PET)由级联H桥(cascaded H-bridge,CHB)和双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器级联组成,当发生负载突变时,PET的高、低压直流母线电压存在较大波动,无法迅速达到平衡。为了解决此问题,提出一种适用于级联系统的负载电流前馈控制策略。该策略由DAB级和CHB级的负载电流前馈2部分组成。前者是通过低压侧负载电流计算得到DAB级的补偿移相角,后者则考虑级联系统的输入输出功率守恒,将负载电流直接前馈到CHB级。同时,考虑到CHB级电流内环的延迟,CHB整流级采用一阶微分与功率均衡相结合的电流前馈控制策略。所提控制策略只需要采样低压直流母线负载电流,极大程度地节约了系统成本,且操作简单,易于实现。仿真和Starsim实验验证了所提控制方法的正确性和有效性。     

基于电力电子变压器的电池储能并网系统及其自抗扰控制

为提高基于单相H桥整流器和隔离双向DC-DC变换器(IBDC)的电力电子变压器–电池储能系统(PET-BESS)在功率翻转时直流电压及网侧功率的动态响应,提出一种基于自抗扰控制(ADRC)的前后级解耦控制策略。前级整流器采用直流电压外环、并网电流内环的被动功率控制,自抗扰控制器可将后级IBDC传输功率对其动态耦合当作扰动进行补偿;后级IBDC采用主动定功率控制,便于实现对蓄电池能量的调度和管理。此外,论文还给出了PET-BESS三相大规模储能应用时的模块化拓展形式及相应的载波移相(CPS)、均衡调制策略。仿真结果表明,所提出的PET-BESS及控制策略在功率翻转时可实现较好的动态特性;模块化扩展时采用载波移相及相应均衡策略可实现交流电压良好多电平波形及各模块均衡的要求。     

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。     

组合级联式兆瓦级功率调节装置协调控制策略

提出了一种新型组合级联式兆瓦级功率转换系统(PCS)的拓扑结构,它由电池组、隔离型半桥DC/DC变换器和级联式H桥DC/AC变换器组合而成。首先对所选用的隔离型半桥DC/DC变换器的基本原理、电压增益和功率传输特性进行了分析。在此基础上,重点研究了2种变换器的协调控制策略:为实现装置的双向功率交换,DC/DC侧采用移相控制,DC/AC侧采用双环控制;为确保直流侧电容电压恒定,DC/DC侧采用占空比控制,DC/AC侧采用全局直流电压控制;为提高装置响应速度和改善直流侧电容电压品质,将电网侧的实时功率指令前馈给DC/DC侧;为改善装置的启动特性,提出了一种软启动控制策略。在PSCAD/EMTDC环境下建立了基于锂电池储能的PCS模型,应用所提出的一整套协调控制策略,对装置的启动过程、正常调节工况、电池组容量和荷电状态不同等工况进行了仿真。结果表明该装置在所提出控制策略下具有较宽的电压匹配能力,电池状态适应能力强,且控制的响应速度较快,能实现大容量储能和双向大功率调节。     

适用于PET的负载电流前馈控制策略

电力电子变压器（power electronic transformer, PET）由级联H桥（cascaded H-bridge,CHB）和双有源桥（dual active bridge,DAB）变换器级联组成,当发生负载突变时,PET的高、低压直流母线电压存在较大波动,无法迅速达到平衡。为了解决此问题,提出一种适用于级联系统的负载电流前馈控制策略。该策略由DAB级和CHB级的负载电流前馈2部分组成。前者是通过低压侧负载电流计算得到DAB级的补偿移相角,后者则考虑级联系统的输入输出功率守恒,将负载电流直接前馈到CHB级。同时,考虑到CHB级电流内环的延迟,CHB整流级采用一阶微分与功率均衡相结合的电流前馈控制策略。所提控制策略只需要采样低压直流母线负载电流,极大程度地节约了系统成本,且操作简单,易于实现。仿真和Starsim实验验证了所提控制方法的正确性和有效性。     

三相线电压级联VIENNA变换器调制及直流侧电压控制

针对H桥级联多电平变换器存在开关管及直流电容数量多、控制复杂等问题,提出一种三相线电压级联VIENNA变换器拓扑。分析该拓扑的等效电路模型、各支路电流关系式及等效电平级数,设计基于单周期级联控制的功率因数校正脉宽调制(PWM)策略;推导出此拓扑直流侧电容电压的数学表达式,得出它的最小平均值及谐波成分的最大值;提出零序电流注入法实现级联变换器直流侧电容电压均衡控制。仿真分析和实验结果表明,提出的新型变换器拓扑及其控制策略,其开关管的耐压大大降低,并具有较高的功率因数和较低的总谐波畸变率(THD),可以保持各模块直流输出电压均衡性,可作为新一代高压大功率变换器的整流级。     

虚拟直流发电机励磁补偿控制策略

虚拟直流发电机(VDCG)功率协调控制策略将直流电机算法嵌入到DC/DC变换器控制回路中,使其模拟直流发电机运行特性,提升直流微网直流母线电压的动态稳定性。该控制通过功率分配环实现不同容量储能装置间的功率协调分配,但已有的VDCG功率协调控制策略均采用固定励磁磁通作为虚拟电机励磁系数,当再生能源输出功率发生波动或负载发生投切时,直流母线电压会产生稳态电压偏移。为消除母线电压偏移,在详细分析VDCG功率协调控制工作机理的基础上,提出虚拟直流发电机励磁补偿控制策略,通过实时补偿VDCG励磁,消除母线电压偏移,稳定直流母线电压。构建储能装置双机并联光储直流微网仿真及实验平台,分别在再生能源功率波动和负载投切情况下对传统固定励磁磁通功率协调VDCG控制及所提VDCG励磁补偿控制策略进行对比仿真及实验验证,证明所提控制策略的正确性。     

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。     

输出并联双有源全桥DC-DC变换器虚拟功率均衡控制方法

针对电力电子变压器(PET)中输出并联双有源全桥(DAB)DC-DC变换器,分析了前级级联多电平整流器(CHB)控制策略对于DAB变换器的影响,提出一种同时适用于等效输入串联输出并联(ISOP)和等效输入独立输出并联(IIOP)DAB变换器的虚拟功率均衡控制方法,并分析了该控制策略的作用机理。搭建了以TMS320F28335+FPGA_6SLX45为控制器的三单元输出并联DAB变换器的实验平台,对所提出的虚拟功率均衡控制方法与输入电容电压平衡控制算法进行了对比验证。实验结果表明,所提方法在实现各个模块传输功率均分的基础上,可以显著提高变换器对于负载突变和输入电压突变时的响应速度。同时,也可有效地抑制变换器传输功率的暂态波动。     

双直流母线直流微电网的协调控制

为便于不同电压等级的直流负荷接入直流微电网,设计了基于双直流母线构架的直流微电网协调控制策略。双直流母线直流微电网由2电压等级不同的独立直流微电网通过双向DC/DC变换器连接构成。将锂电池超级电容组成的混合储能系统应用于直流子网中,并根据双向变换器两侧子网的电压–功率下垂特性,对两侧电压进行了归一化处理,提出了适用于连接2直流子网的双向DC/DC变换器下垂控制;最后,通过d SPACE验证了系统协调控制策略的可行性。实验结果表明,此控制策略可以根据2直流子网电压大小有效控制子网间的功率传输,实现了整个系统功率的平衡,提高整个系统的运行可靠性。     

级联式电力电子变压器混合脉宽调制谐波分析及均衡控制

针对基于级联H桥及隔离双向DC/DC变换器的电力电子变压器,提出一种混合工频和高频调制的混合脉宽调制(HPWM)策略。基于波形合成原理及双重傅里叶积分方法,对5电平级联H桥HPWM输出电压频谱表达式进行了理论推导,并与载波移相调制时输出电压谐波特性进行对比。结果表明HPWM输出电压波形仅含有基波与载波边带谐波,在不增加谐波总畸变率的同时可降低系统开关频率。为解决HPWM时各模块开关模式不对称造成的中间直流电压不均衡问题,提出一种前级级联H桥采用开关函数轮换控制与后级隔离双向DC/DC变换器电压反馈加前馈控制相结合的子模块均衡控制策略,有效确保子模块功率及电容电压处于相同的动态变化范围。仿真和实验结果验证了HPWM谐波分析的正确性及所提控制策略的有效性。     

基于无源性理论的双馈风力发电机双PWM变换器协调控制

交流励磁双馈风力发电系统在实现最大风能跟踪过程中,转子侧功率变化频繁,使得双PWM变换器中的直流母线电压波动剧烈。基于无源性理论提出了一种双PWM变换器的协调控制方案,对双PWM变换器的转子侧和电网侧分别进行直接功率控制,使其具有相同的动态响应特性;在电容电压反馈控制的基础上引入功率前馈控制,使电容两侧功率流动动态平衡,以减少电容电压的波动。建立了双PWM变换器励磁的双馈风力发电系统的仿真模型,仿真结果表明该协调控制策略极大地改善了直流母线电压的动态特性,实现了最大风能跟踪,并且降低了变换器中电容容量要求,提高了风电系统的电能质量。     

基于无源性理论的双馈风力发电机双PWM变换器协调控制

交流励磁双馈风力发电系统在实现最大风能跟踪过程中,转子侧功率变化频繁,使得双PWM变换器中的直流母线电压波动剧烈.基于无源性理论提出了一种双PWM变换器的协调控制方案,对双PWM变换器的转子侧和电网侧分别进行直接功率控制,使其具有相同的动态响应特性;在电容电压反馈控制的基础上引入功率前馈控制,使电容两侧功率流动动态平衡,以减少电容电压的波动.建立了双PWM变换器励磁的双馈风力发电系统的仿真模型,仿真结果表明该协调控制策略极大地改善了直流母线电压的动态特性,实现了最大风能跟踪,并且降低了变换器中电容容量要求,提高了风电系统的电能质量.     

兼顾电压波动抑制的级联H桥STATCOM相间电压平衡控制策略

针对三相级联H桥STATCOM传统三层电容电压平衡控制中,相间电压均衡控制动态性能较差,易对电网造成污染等问题,提出了一种基于模型预测控制兼顾电压波动抑制的相间电压平衡策略。与传统控制相比,该控制策略构建了包含相间电压均衡与直流侧波动抑制的新型价值函数,并基于此函数动态调节注入的零序电压,利用零序电压在剩余调制电压区间内连续的特点,提高级联H桥STATCOM相间平衡的动态性能,同时在一定程度上抑制了直流侧电容电压的波动。所提零序电压注入方案利用系统的剩余调制电压,使系统无需对注入的零序电压进行限幅处理,有效避免过调制问题,简化了控制系统。在五电平星型级联H桥STATCOM实验平台上进行实验验证,结果表明基于模型预测控制的级联H桥STATCOM相间电压均衡方案在提升相间均压的动态性能与直流侧电压波动抑制方面具有显著效果。     

H桥级联STATCOM直流侧电容电压平衡控制的研究

针对H桥级联静止同步补偿器(STATCOM)直流侧单电容电压波动引起相内及总体电压不平衡的问题,提出采用3种控制器协调控制的策略。直流侧单电容电压控制器为电压内环,单电容电压与参考电压作比较经过PI调节实现H桥单元电容电压平衡控制。直流侧总电压和无功电流控制器为电压、电流双环控制,总电容电压平方和与参考电压作比较经过PI调节实现总电容电压的平衡控制。同时提出一种获取无功参考电流的方法,该方法计算简单可有效提高系统运行的可靠性。H桥级联七电平STATCOM的仿真与实验表明,所提控制策略在系统稳态和负载突变时直流侧电容电压在允许范围内波动,具有良好的动态性,网侧电压与电流基本同相位,最终实现了直流侧电容电压的平衡控制,验证了所提控制策略的有效性。     

基于双PWM控制技术的双馈风力发电系统

针对双馈风力发电系统直流母线电压波动的问题,提出采用双PWM变换器协调控制策略改善系统的性能。基于双馈异步发电机的数学模型,建立了转子侧和网侧PWM变换器控制系统,分析了两侧变换器独立控制时存在的缺点。根据转子侧和网侧PWM变换器之间的动态关系,提出了一种负载电流前馈的新型双PWM变换器协调控制策略。搭建了双馈风力发电系统模型,对风速突变时独立控制和协调控制策略进行仿真分析。结果表明,所提控制策略能有效地抑制直流母线电压的波动,提高了系统的安全性和稳定性。     

Bi-DC/DC变换器带恒功率负载稳定性分析

针对直流微电网中储能装置接口Bi-DC/DC变换器带恒功率负载时的稳定性问题进行了研究。基于状态空间平均法,建立Bi-DC/DC变换器小信号模型,采用母线电压外环和电感电流内环相结合的双闭环控制策略来抑制直流母线电压的波动并设计控制器参数。利用阻抗比禁止区判据进行稳定性判定,并分析了线路滤波参数、负载功率和母线电容对变换器级联后稳定性的影响,得出规律性结论。仿真结果验证了理论分析及控制方法的有效性。     

级联双极型大容量电池储能系统及其控制策略

针对多储能单元级联的高电压、大容量应用场合,提出一种级联双级型电池储能系统。该系统由AC/DC与DC/DC两级变换器构成,且均采用模块化多电平级联结构,具有结构紧凑、可靠性高、能量控制简单等优点。建立该系统的数学模型并分析其工作原理及约束条件,设计了多电池组荷电状态(SOC)均衡策略,有效解决了电池过充或过放的问题;针对储能系统在不对称运行条件下直流电流波动过大的问题,提出一种直流波动抑制的前馈控制策略。最后,基于RTDS对该系统及控制策略进行数字-物理闭环仿真,验证了系统结构和控制策略的有效性。