基于组合型双向DC-DC变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计

研究了一种基于组合型双向DC-DC变换器BDC(bidirectional DC-DC converter)的超级电容储能系统,该系统采用多组多通道交错Buck/Boost双向变换器串联,既可实现开关电流和电压应力的降低也可实现电感量的减小,同时有助于减轻超级电容单体电压低与应用场合电压高间的矛盾。串联变换器模块间的均压控制是该系统稳定运行的关键之一。基于双向变换器的小信号模型分析了超级电容储能系统电流控制与变换器模块均压控制的关系,设计了组合型双向DC-DC变换器的双闭环控制策略,在稳定控制超级电容充/放电电流的同时实现模块输入电压均衡的解耦控制。进一步根据母线电压变化及超级电容荷电水平提出了储能系统能量控制策略。通过两组三相交错Buck/Boost级联BDC储能系统的实验验证了控制策略的有效性。     

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%。     

中低压直流配电系统:关键装备阻抗建模与稳定性分析

中低压直流母线电压稳定是中低压直流配电系统稳定的关键指标.针对由多绕组变压器隔离型变换器与输入串联输出并联的多模块Boost+LLC型直流变压器组成的中低压直流配电系统,为分析其小信号阻抗稳定性,建立柔性变换器、直流变压器和Buck变换器的小信号模型,推导中压和低压直流端口阻抗表达式.采用阻抗分析法分析了表征级联系统稳定性的参数,以伯德图和奈奎斯特曲线为依据,分析了电路参数和控制参数对系统阻抗特性和级联系统稳定性的影响.分析结果表明,增加柔性变换器电压控制环参数和直流变压器电流控制环参数,可提高中压直流级联系统的稳定性.增加直流变压器电压控制环参数,可提高低压直流级联系统的稳定性.最后在MATLAB/Simulink平台中搭建系统仿真模型,验证了所推小信号阻抗模型的正确性.     

一种新型全桥零电压转模 PWM DC-DC变换器

针对移相全桥ZVS PWM DC-DC变换器滞后桥臂零电压开关范围窄、占空比丢失严重以及转换效率较低等缺点，该文提出了一种新型的全桥ZVT PWM DC-DC变换器拓扑。这种电路在传统移相ZVS PWM DC-DC变换器的基础上增加了两个无源网络，其中一个并联在原边的主电路中，为滞后桥臂实现零电压开关提供条件；另一个串联在变压器的副边，以减小变压器的导通损耗。这种电路有宽零电压负载范围，占空比丢失小等优点，可以提高了开关电源的效率，且输出性能好。该文分析了变换器的工作原理以及滞后桥臂零电压开关的实现条件。该文采用了DSP作为控制芯片，实现了系统的双闭环控制。最后研制了一台功率为600W，工作频率为100kHz的样机，实验结果验证了这种新型全桥ZVT PWM DC-DC变换器相关理论的正确性。     

独立输入并联输出全桥隔离DC-DC变换器直接功率平衡控制

以电力电子变压器为应用背景,对其中的独立输入并联输出全桥隔离DC-DC变换器展开研究。在电力电子变压器中,当各个输出并联全桥隔离DC-DC变换器电路模块的参数不匹配或各模块输入电压幅值不相等时,会造成各全桥隔离DC-DC变换器模块间传输功率不平衡现象,导致器件过流,严重时损坏开关管等器件。为实现各DC-DC模块功率平衡传输,基于直接功率控制思想,提出了独立输入并联输出全桥隔离DC-DC变换器功率平衡控制方法。此外,在大功率输出的情况下,为实现各并联DC-DC模块功率容量的充分利用,补充分析了部分单元模块过功率工况下的直接功率平衡控制方法。最后,基于RT-LAB和TMS320F28335的半实物实验平台对所提出的功率平衡控制方法进行验证。     

一种中间电容谐振型级联双向DC-DC变换器

为满足分布式储能系统中蓄电池组与直流母线互联时对DC-DC变换器的高效率、高功率密度、宽电压调节范围的要求,该文提出一种中间电容谐振型级联双向DC-DC变换器。该级联变换器的低压侧采用改进的谐振型双有源桥（DAB）,与传统DAB不同,该结构利用DAB高频变压器漏感与级联拓扑的中间直流母线电容进行谐振,工作频率在2倍谐振频率且在最高效率点运行;高压侧采用传统双向Buck-Boost拓扑,以提升电路的整体电压调节范围。该级联变换器具有中间直流母线电容小、电压调节范围宽、控制复杂度低、效率高、功率密度高的优点。该文首先,分析了变换器的拓扑结构、工作原理和控制策略;其次,推导了关键状态变量和电压增益;然后,建立了变换器的损耗模型,并据此进行谐振参数设计;最后,搭建了一台额定功率7.5kW的样机,其功率密度为1.15W/cm3,满载效率为95.9%,实验验证了该级联变换器高效率、高功率密度和宽电压调节范围的特性。     

基于谐振式三电平半桥直流变换器的电力变压器拓扑结构

针对现有的几种典型电力电子变压器(PET)拓扑结构对电网电压暂升骤降的变化抑制能力较弱,无法保证负载电压的恒定,提出一种基于谐振式双侧三电平半桥直流变换器的电力变压器拓扑结构。该系统输入级使用三相三电平PWM变换器,有效确保了交流电网输入的电流和电压维持波形正弦及直流侧电压恒定,功率因数可调,降低了电路元件的耐压等级。隔离级采用LC谐振式的半桥三电平DC-DC变换器,该变换器可有效降低电路损耗,提高电能质量。在此基础上,结合系统的工作特征在本系统输入级、隔离级和输出级引入闭环控制策略,提高了电路的稳定性,保证了系统的输出电压的恒定,抑制了输入级电压突变对输出的影响。仿真结果验证了该方案的可行性和有效性。     

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。     

基于三相-单相电力电子变压器的牵引供电系统负载不平衡、无功和谐波潮流分析

将三相-单相电力电子变压器应用于贯通式同相供电系统,对比计算了传统变压器、电力电子变压器的单相侧和三相侧之间负载不平衡、无功和谐波的潮流关系。基于三电平电路研究了隔离DC-DC变换器和多模块级联整流器的控制方法:整流器采用有功无功解耦控制,实现了三相网侧单位功率因数运行;隔离DCDC变换器采用双边三电平控制,减小了流过中频变压器电感电流有效值。仿真和实验结果验证了基于三相-单相电力电子变压器的贯通式同相供电系统可有效消除负载不平衡、无功和谐波对三相电网电能质量的不良影响,系统动静态性能良好。     

级联型电力电子变压器电压与功率均衡控制方法

对于模块级联型电力电子变压器,如果整流级直流输出电压不均衡或各双有源DC-DC变换器(DAB)模块传递的功率不均衡,可能导致开关器件电压或电流应力分配不均。因此提出在整流级采用电压均衡控制,在DAB级采用功率均衡控制来解决整流级输出电压的不均衡问题和因各DAB模块参数不匹配导致的功率不均衡问题。对于该功率均衡控制,是利用各整流模块占空比的有功分量作为反馈量来调节各DAB模块占空比实现的。电压均衡控制与功率均衡控制共同作用,以使系统达到整流级直流输出电压均衡和各DAB模块功率均衡的目的。此外,该功率均衡控制可以很容易由DSP实现,且不需要任何电流传感器。该控制方法已得到仿真验证,并在模块级联型电力电子变压器实验平台上得到实验验证。     

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。     

附加电感电流线性反馈控制的级联DC-DC变换器稳定性提升方法

源变换器和负载变换器的相互作用会导致级联DC-DC变换器的不稳定问题,因此,提升级联系统的稳定性很有必要。针对上述问题,将特征值灵敏度应用到级联DC-DC变换器的时域模型中,无需计算源变换器输出阻抗和负载变换器输入阻抗,从时域角度提出了附加电感电流线性反馈控制的级联DC-DC变换器稳定性提高控制方法。同时,基于时域模型直观分析了新引入的控制变量对系统稳定性的影响。最后,通过仿真和实验验证了所提控制方法的有效性。     

双向DC-DC变换器的控制模型

双向DC-DC变换器在不同的功率流向时，存在不同的控制模型。有学者认为，对于能量双向流动的闭环系统，单电压环补偿不能实现闭环稳定工作，而状态反馈可以实现闭环稳定。该文以Buck／Boost双向DC-DC变换器为例构建试验平台，通过双向控制模型的分析，采用PID补偿环节的单电压闭环实现了BDC系统闭环稳定，并进行了试验验证，试验系统的稳定和良好动态性能说明该文分析正确。     

计及换流器间动态交互的中压直流配电系统控制参数设计

由于各换流器间存在动态交互作用,使得中压直流(MVDC)配电系统的控制参数设计比单台换流器时困难得多。首先,针对系统中换流器的电流控制环、电压控制环和下垂控制环,依次分别建立了计及换流器间动态交互的开环和闭环传递函数,并且所建传递函数零极点的个数与单台换流器独立运行时完全一致。然后,提出了一种计及换流器间动态交互的MVDC配电系统控制参数设计方法,该方法能够从系统动态稳定性的角度定性定量设计控制参数。该设计方法通过部分零极点的相互抵消,利用一对共轭主导极点准确设计系统动态特性,并在较宽频率范围(如10~50 Hz)内均有效。最后,在电力电子仿真软件PLECS中对所提传递函数和控制参数设计方法进行了仿真验证。     

计及换流器间动态交互的中压直流配电系统控制参数设计

由于各换流器间存在动态交互作用,使得中压直流(MVDC)配电系统的控制参数设计比单台换流器时困难得多。首先,针对系统中换流器的电流控制环、电压控制环和下垂控制环,依次分别建立了计及换流器间动态交互的开环和闭环传递函数,并且所建传递函数零极点的个数与单台换流器独立运行时完全一致。然后,提出了一种计及换流器间动态交互的MVDC配电系统控制参数设计方法,该方法能够从系统动态稳定性的角度定性定量设计控制参数。该设计方法通过部分零极点的相互抵消,利用一对共轭主导极点准确设计系统动态特性,并在较宽频率范围(如10~50 Hz)内均有效。最后,在电力电子仿真软件PLECS中对所提传递函数和控制参数设计方法进行了仿真验证。     

一种级联电力电子变压器直流电压平衡控制策略

基于功率反馈的双闭环功率均衡策略是级联型电力电子变压器隔离级DC-DC变换环节的一种典型控制策略。该策略优点之一是控制过程中明确了变换器传递功率指令这一变量,可以通过对其作处理来调节隔离级传递功率,进而实现多种功能。基于此提出一种改进的整流电压平衡控制策略,在DC-DC变换器各级单元功率指令上引入相应前级整流电压偏差补偿量,通过调节隔离级各单元功率分配以自动实现整流侧直流电压平衡。最后通过仿真与实验验证了这种功率指令补偿式电压平衡策略的有效性。     

DC-DC变换器双线性系统建模及基于李亚普诺夫直接法的控制方法

首先建立了DC-DC变换器双线性系统数学模型,结合控制目的进行适当变形,得到DC-DC变换器的闭环非线性控制系统模型。基于Lyapunov直接法,总结出构造Lyapunov函数和求取控制律的一般步骤,适用于所有数学模型可以表示成双线性系统的DC-DC变换器。以Sepic变换器为例,成功构造出Lyapunov函数,并且推导得到一种使Sepic变换器控制系统渐近稳定的控制律,仿真结果证实了该文提出的新型控制律的有效性。     

针对并网型飞轮储能系统的双电流闭环比例谐振控制

文章提出一种适用于飞轮储能系统并网的双电流闭环控制方法。在电网侧及飞轮侧控制系统中同时引入比例谐振控制器,避免了比例积分（proportional integral,PI）控制器跟踪正弦电流存在稳态误差的缺点,提高了系统的稳定性及电网电能质量。同时,采用电容电流内环反馈控制抑制LCL滤波器的谐振尖峰,提高进网功率因数。在充电阶段,电网侧变换器采用电压外环控制方式,飞轮侧变换器采用转速外环控制方式;在待机及并网运行阶段,电网侧变换器采用电网侧电流外环电容电流内环的控制策略,飞轮侧变换器采用直流母线电压外环电流内环的控制策略,以稳定直流母线电压。采用广义根轨迹法对电网侧控制器参数进行设计。搭建了飞轮储能系统并网控制模型,仿真结果验证了文章控制策略的有效性。     

具有强抑制干扰能力的BOOST变换器控制策略研究

作为定值控制系统的BOOST变换器,系统的抗干扰性尤为重要。为了提高BOOST系统抗干扰能力,本文通过对BOOST变换器小信号模型的详细分析,结合有输入电压前馈和无前馈情况下,采用电压模式控制时系统的特性,提出了一种前馈—电压模式的控制方法,能快速抑制输入电压和输出电流扰动,尤其能将输入电压的干扰近似完全消除;通过对双极点—双零点控制器的详细分析,提出了快速合理的设计boost变换器在新控制策略下控制器参数的方法。最后通过仿真验证了该控制策略抑制干扰的优越性和控制器参数设计方法的合理性。这种控制方法的思想同样适用于其它DC-DC变换器。     

基于电流平衡单元的输入并联输出并联型LLC谐振变换器模块

输入并联输出并联(IPOP)型直流变换器广泛适用于低电压大电流工作场合,难点在于如何实现各子模块之间的输入电流均流(ICS)和输出电流均流(OCS)问题,现有解决方法均为闭环控制策略。提出了基于电流平衡单元的IPOP型LLC谐振变换器模块,通过电流平衡单元电磁耦合作用可以开环实现LLC谐振变换器模块间ICS和OCS,使整体IPOP型直流变换器稳定工作。LLC谐振变换器工作在近似谐振频率下可实现高频隔离直流变压器功能,保证逆变侧零电压开关(ZVS)及整流侧零电流开关(ZCS),同时具备高功率密度和高效率。采用电流平衡单元代替传统闭环控制策略解决IPOP系统模块间电流不平衡问题,省去采样和控制电路,提高系统稳定性,降低系统成本。通过对电流平衡单元的电磁模型分析,导出等效电路模型,并通过其工作暂态电流与稳态电流仿真说明电流平衡原理。最后搭建基于电流平衡单元的IPOP型LLC直流变换器实验系统,验证所提出电流平衡方案的有效性和正确性。