电动汽车中新型双向DC/DC变换器建模分析*

非隔离型双向DC/DC变换器广泛应用于混合直流供电系统中,针对电动汽车超级电容与蓄电池的混合供电系统,以新型交错并联型Buck/Boost变换器为研究对象,采用状态空间平均法,建立了Boost状态连续模式(CCM)下的交流小信号模型,得到了电路模型的开环传递函数。分析幅频特性曲线可知,变换器低频段斜率为0 d B/dec,系统存在稳态误差,中频段穿越频率过高,系统超调量较大,高频段以-20 dB/dec斜率变化,高频抗干扰能力较差。基于此,为变换器设计了平均电流补偿网络,理论分析系统的稳定性、动态响应速度和高频抗干扰能力都得到提高。同时仿真验证可知:当输入及负载跳变时输出电压在10 ms内都能快速稳定,且输出电压波动不超过1.5%,满足电动汽车储能系统要求。     

ZVS隔离型高增益DC／DC变换器

将传统的L型电流输入隔离型DC/DC变换器与一种DCM(Diode-Capacitor Multiplier)电压增益单元相结合,提出了一种新型ZVS隔离型高增益DC/DC变换器。在继承传统L型电流输入隔离型DC/DC变换器输入电流纹波小、变压器匝数比低等优点的基础上,所提变换器可通过调节DCM增益单元数来调节变换器的输入输出增益比;通过有源箝位电路和漏感的结合,开关均实现了零电压开通,二极管均实现了零电流关断,二极管的反向恢复损耗得到了抑制;借助于所提DCM增益单元,二极管的电压应力以及变压器的绝缘等级得到了有效降低;所有二极管的电压、电流应力均相等,便于散热设计。对变换器的工作原理和性能特点进行了理论分析,并建立了一台输入24 V、输出400 V、功率为200 W的实验样机。实验测试样机最高效率可达95%,验证了理论分析的有效性和正确性。     

一种独立光储发电系统用宽输入范围非隔离三端口变换器

针对独立光储发电系统中光伏电池输入电压的不稳定性，提出一种能够在大于和小于储能端口电压范围内工作的宽输入范围非隔离三端口变换器，可以实现光伏电池、蓄电池和负载之间的能量流动和功率平衡。该文所提变换器是由传统的Buck、Boost和Buck-Boost变换器分别与双向升降压四开关Buck-Boost(FSBB)变换器进行组合得到。FSBB用于连接光伏电池和蓄电池端口，可以削弱储能端口电压对光伏端口电压的约束，满足光伏端口宽电压输入的应用需求，增加了系统的稳定性。该文以Boost变换器和FSBB变换器进行组合为例设计实验样机，通过实验验证了该变换器理论分析的正确性和所提控制策略的可行性。     

基于混合储能的新型双向DC/DC变换器控制研究

基于超级电容与蓄电池混合储能系统越来越多地应用于电动汽车领域,作为其中的能量控制元件——双向DC/DC变换器的研究也越来越受到重视。不同的双向DC/DC变换器影响系统的成本、效率和性能。选择一种新型非隔离型双向DC/DC变换器,其具有电压增益高、开关器件应力低及电流纹波小等特点,能够有效减小开关器件的损耗,提高系统能量传输效率。推导出相应模式下的控制器模型,并采用电压外环、双电流内环的控制策略,控制能量的双向流动。最后进行理论仿真以及实验验证,结果表明理论分析的正确性。     

一种交错并联高升压DC/DC变换器

针对燃料电池应用系统中电池输出电压低的问题,提出一种具备高增益升压能力的非隔离型DC/DC变换器,该变换器通过在传统Boost三端口网络中串入由二极管和电容构建的DCM ( di-ode-capacitor multiplier, DCM)升压单元来提高其输入输出增益。理论分析和实验结果表明,该变换器在提高输入输出增益的同时还具备以下优点：(1)开关器件电压应力低,可以选择更低导通电阻的开关管提高变换器工作效率;(2)所有二极管的电流电压应力均相等,有利于散热器设计;(3)输入输出增益可以通过DCM单元数来调节,方便根据输入输出工况做出合适的调整;(4)交错并联的输入形式,更适合于大电流输入的应用场合;(5)两相输入电流可以实现自动均流,控制方便。     

一种新颖控制模式的双向DC/DC变换器研究及设计

对于非并网风电分布式发电系统,双向DC/DC变换器需要跟踪风电发电系统能量流动方向,从而实现对蓄电池充放电控制。从输入阻抗的角度,提出一种能量流向判断模型,并给出判断准则。模型采用变换器输入电压外环和电感电流内环双环控制策略,能够自动检测能量流动方向。此外,对电感电流限制值与输入电压大小关系进行研究,推导出电感电流限制条件,当不满足该条件时输入电压均不能稳定在给定值。最后,对上述提出的模型和控制方法进行仿真,结果验证了理论推导的正确性和模型的可行性。     

全桥隔离DC/DC变换器的直接功率控制方法

以无工频变压器电力牵引传动系统为应用背景,对其中的全桥隔离DC/DC变换器开展研究。在电力牵引传动系统中,单相网侧脉冲整流器直流输出电压中含有二倍电网频率的电压脉动,该二倍频脉动可能会引起电机中的拍频现象。因此,为减小该二倍频电压脉动对DC/DC变换器输出电压的影响,研究全桥隔离DC/DC变换器在输入电压动态变化时的高性能控制方法非常必要。为提高全桥隔离DC/DC变换器在输入电压脉动以及突变情况下的动态响应性能,基于单相移控制方法,提出了一种直接功率控制方法,并进行了详细的分析。最后,基于RT-LAB和赛灵思XC3S500E的半实物仿真平台和基于TMS320F28335控制器的实物实验平台对所提出的控制方法进行验证,半实物仿真和实物实验结果表明:在输入电压突变、输入电压含有脉动和波动的情况下,该直接功率控制算法能有效提高输出电压的动态性能,减小输入电压扰动对输出电压的影响。     

用于SC/BA的DC/DC变换器鲁棒建模与控制设计

超级电容/电池(SC/BA)通常用于可再生能源波动功率的抑制,其一般通过双向DC/DC变换器接入直流系统,并控制直流母线电压的稳定。首先建立了一种新型DC/DC变换器的多胞模型,将SC/BA输入电压波动以及负载不确定性纳入鲁棒模型设计;进而采用基于线性矩阵不等式方法的最优线性二次型控制,设计了系统鲁棒最优二次型控制器。实验结果表明,相比传统比例积分(PI)控制,所提控制方法具有良好的鲁棒性,可以保证宽范围输入电压工况下DC/DC变换器输出电压稳定运行,且具备良好的动态性能。     

一种基于DCM单元的高升压非隔离型DC/DC变换器

为解决光伏发电系统中现有DC/DC变换器升压能力低、器件应力高的问题,提出一种高升压非隔离型DC/DC变换器。该变换器采用二极管电容倍增器(diode-capacitor multiplier,DCM)升压单元来提高变换器输入、输出电压增益,并通过DCM单元中电容的安秒平衡实现输入相的自动均流。对该变换器进行性能分析、仿真验证以及关键参数计算,并依据关键参数设计了额定功率为300 W的实验样机。实验结果表明该变换器具有以下优点:输入、输出增益高且可调节,适用于对增益要求不同的场合;器件应力低,方便选型,同时提高了变换器工作效率;输入相实现了自动均流,简化了控制策略。损耗分析结果表明,该变换器的理论效率在额定工况下达到93.6%。     

基于离散时间模型的隔离Cuk PFC控制

以隔离Cuk功率因数校正(PFC)变换器为研究对象,提出了一种基于离散时间模型的输入电流数字控制器设计方法.针对隔离Cuk PFC变换器建立了一种新型的简化离散时间模型,通过取其近似获得近似简化离散时间模型,然后基于模型推导了输入电流数字控制律,结合基于PI调节器的电压环控制器构成数字双环有源PFC(APFC)控制器.通过仿真验证了隔离Cuk PFC变换器近似简化离散时间模型的准确性和输入电流控制器设计的合理性,搭建了1.6 kW隔离Cuk PFC变换器硬件系统实验平台,在半载至满载范围内获得了接近单位功率因数和输入电流总谐波畸变率(THD)低于5％的功率因数校正效果.     

DC/DC变换器的滑模变结构控制

给出了ＤＣ／ＤＣ变换器滑模控制基本原理,并以Buck型ＤＣ／ＤＣ变换器为例,给出了滑模控制器的设计过程,通过仿真证实了滑模控制的优点。     

双向直流变换器控制方法

双向直流变换器配合蓄电池或超级电容等化学储能元件应用在具有直流母线支撑的系统中时,其主要控制目标为结合储能元件的荷电状态实现负载的稳定工作。当负载功率大于主供电功率时,控制储能元件释放能量以满足负载功率需求;当负载功率小于主供电功率时,控制储能元件吸收能量以避免母线电压上升。归纳和总结了现有的双向控制方法,详细分析了储能系统中变换器两端均为直流源的应用场合时双向直流变换器的双向切换原理,重点研究了采用带有方向信息的电感电流平均值作为电流内环、直流母线电压作为电压外环的双向控制方法。针对该控制方法中存在的母线电压波动和电池频繁充放电的问题,阐述了相应的优化措施。     

Digital Control Technologies for DC/DC Switching Converters

An overview of recent advances in digital control of low-to medium-power DC/DC switching converters is presented.Traditionally,analog electronics methods have dominated in controlling such DC/DC converters.However,with the steadily decreasing cost of ICs, the feasibility of digitally controlled DC/DC switching converters has increased sig-nificantly.This paper oudines a sample of digital solutions for DC/DC switching converters to enhance the performance of DC/DC switching converters.Furthermore,latest research activities pertaining to applications for steady-state and dy-namic performance improvement,such as efficiency optimization,controller auto tuning,and capacitor charge balance control, is discussed.These applications demonstrate the significant advantages and potentials of digital control.     

DC/DC开关电容变换器的控制技术

根据DC/DC开关电容变换器目前的最新发展状况,对各种控制技术做了较为深入的探讨和分析,指出采用DC/DC开关电容变换器的软开关技术,不仅可以解决长期困扰变换器的功率和效率问题,而且给DC/DC开关电容变换器带来了崭新的发展。     

DC/DC变换器模糊控制和PID控制比较研究

模糊控制器因具有控制鲁棒性强,设计不依赖于被控对象精确模型等优点而逐渐应用在电力电子变换器中。以Boost变换器为例,从设计方法、具体工程实现和实验结果三方面对传统线性比例积分微分(PID)控制器和模糊控制器进行了对比分析。详细阐述了PID控制器和模糊控制器的设计方法,对其设计的侧重点进行了对比。通过实验对比了线性PID控制器与模糊控制器的控制性能。实验结果表明,模糊控制技术相对于线性PID控制技术更能适应DC/DC变换器工作点的变化,具有更好的动态控制效果。     

隔离式DC/DC变换器的建模与控制

根据隔离式DC/DC变换器的基本原理,在低频、小信号、小纹波3个假设条件下,利用状态空间平均法和欧拉公式建立了正激直流变换器的小信号数学模型,采用超前-滞后校正装置对系统进行了串联校正,并利用Matlab软件进行校正辅助分析。在此基础上组建了电压型闭环自动控制系统,实验结果表明系统具有良好的动静态性能,验证了该数学模型的正确性以及控制策略的合理性。     

PWM型DC/DC开关变换器无源性控制策略

本文介绍了无源性系统理论及控制方法,并结合开关变换器脉动和非线性的特点,针对具体的Buck电路,求出储能函数、并根据输出反馈无源定理,构造了DC-DC开关变换器的非线性最优控制规律,仿真和实验,结果验证了控制策略的优良性。     

直流微网母线电压稳定控制策略

直流微网母线电压决定于电源、负荷及相应控制策略,为解决风电、光伏等间歇性电源即插即用、负荷随机投切等复杂情况的微网直流母线电压恒定问题,该文建立了相应数学模型,提出了一种基于混合储能优化控制母线电压波动的多模式电压稳定策略,在考虑储能荷电状态约束的基础上采用电压分段下垂控制方法,实现储能系统对负荷变化的实时跟踪,提高了负荷功率分配精度,保证母线电压基本恒定,采用PSCAD/EMTDC仿真算例和实验测试验证所提方法的可行性和有效性.     

DC/DC开关变换器的无源控制方法

在一般动力学系统无源控制的基础上,以Buck变换器为例,建立了DC/DC开关变换器的Euler-Lagrange平均模型,推导出其无源控制策略,将无源控制方案成功应用到DC/DC开关变换器中,仿真结果表明,无源控制方案的变换器闭环系统对输入电源、负载扰动的瞬态响应特性均较为理想.     

直流配电网新型直流电压控制策略

直流配网在实际应用中要求对功率和直流电压的调节准确而快速.针对传统U-P下垂控制使母线电压偏离额定值,提出了下垂曲线分段和平移相配合的方法,既可以消除配网电压的静态偏差,又能防止直流电网在功率缺额较大时电压超出允许范围.然后,建立下垂控制作用下直流侧电压控制模型,用劳斯判据对所选下垂系数能否保持直流电压的稳定进行理论验证.最后根据Simulink仿真模型验证了所提策略对稳定直流配电网电压的可行性.