基于S/SP补偿的整流性负载等效阻抗精确计算方法及逆变器开关损耗优化

基波等效法是无线电能传输(wireless power transfer,WPT)技术的主要研究方法,该方法将整流性负载的基波阻抗等效为某一纯电阻,为系统的建模和分析提供基础。但该方法忽略整流性负载谐波阻抗的影响,使WPT系统的实际响应与理论分析结果存在较大的误差,从而影响系统的模型精度,限制WPT系统的进一步优化设计。该文以基于串/串并(series/series-parallel,S/SP)补偿网络的WPT系统为研究对象,分析利用基波等效法进行建模产生误差的原因,并提出一种基于迭代法的整流性负载基波以及各次谐波等效阻抗的精确计算方法。在此基础上,建立WPT系统的精确电路响应模型,所提模型可以有效表征发射线圈电流的畸变特性,并根据系统响应与补偿网络参数的关系获得系统逆变器开关损耗的优化设计方法。最后,搭建一台3kW的WPT系统样机,实验结果验证理论分析的正确性和可行性。     

考虑整流性负载特性的LCC-S型无线电能传输系统优化设计

无线电能传输系统中的整流性负载具有非线性特征,而对系统传输特性分析和谐振参数设计时常采用基波分析法,将整流性负载等效为纯电阻,导致理论分析与实际存在一定偏差、系统偏离谐振状态。针对该问题,以LCC-S型无线电能传输系统为研究对象,考虑谐波以及整流性负载的非线性,对系统传输特性进行分析,进而提出基于整流性负载补偿的负载阻抗和接收端串联谐振电容参数的计算方法,并对逆变电路开关特性进行分析验证。所提接收端谐振参数设计方法能够使系统接收端回路谐振,提高系统的输出功率;降低逆变电路开关管的关断电流,提升系统的传输效率。搭建了一套2.5 kW的LCC-S型无线电能传输实验平台,验证了理论分析与所提参数设计方法的有效性和正确性。     

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。     

应用Filippov方法分析双向直流变换器稳定性

恒功率负载的负增量阻抗特性可能导致DC/DC变换器系统不稳定。这里采用Filippov方法对带恒功率负载的双向DC/DC变换器在峰值电流控制下的稳定性进行了分析。首先根据开关切换建立了双向DC/DC变换器在恒功率负载下的电池供电和充电连续模型,然后针对恒功率负载采用泰勒级数展开并采用Filippov方法构建了系统的跳跃矩阵和单值矩阵,利用Floquet理论分析了系统的稳定性。最后,选取参考电流和供电电压为分岔参数对系统在电池供电和电池充电模式下的行为进行了仿真和实验验证,通过分岔图、时域波形图和相轨图观察系统的非线性动力学现象。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。     

基于虚拟阻抗的孤岛交流微电网混合储能控制策略研究

为了实现孤岛交流微电网(AC-MG)混合储能系统(HESS)的分散控制,提出了一种基于虚拟阻抗的针对超级电容(SC)和蓄电池(Battery)构成的HESS功率动态分配方法。在不需要实时检测负载功率的情况下实现两种类型储能设备的功率实时动态分配。在分析虚拟阻抗基本原理并建立HESS等效电路模型的基础上,推导了HESS动态功率分配的理论原理。通过分析DC-AC变换器电压电流双环控制参数对于变换器输出阻抗和虚拟阻抗的影响,进而给出有益于功率分配的控制参数设置方法。在此基础上,建立了HESS的仿真模型,设计了2类典型的等效功率波动工况,深入分析HESS在各种工况下的运行特性。结果表明：在各种工况下,HESS都可以通过控制超级电容串联虚拟电容(VC)实现其补偿等效功率波动的高频部分;蓄电池串联虚拟电阻(VR)吸收功率波动的低频部分,动态功率自动分配有效实现,提高了系统的鲁棒性和可靠性。     

基于最大效率追踪的BWPT协同控制方法研究

针对电动汽车双向无线充电(BWPT)场景,建立了非对称参数下的系统功率及效率模型,并提出了一种适用于BWPT的系统拓扑,在双向全桥和双边LCC的基础上,加入额外的一级四开关管双向DC/DC电路。并在此基础上提出了电能双向无线传输时的恒流与最大效率追踪协同控制方法。通过控制逆变器移相角满足充电和馈电时的恒流输出要求,并通过改变DC/DC变换器的占空比实现对系统最大效率的主动跟踪。然后进行了BWPT的仿真实验,仿真结果证明系统在负载变化时能够在恒流的同时保持在最大效率点运行。最后设计了BWPT系统实验,实验结果证明了所提拓扑的可行性和协同控制策略的有效性。     

LCL-S型WPT系统谐振补偿参数优化设计

无线电能传输(WPT)系统具有高阶、非线性及强耦合的特点,建立与实际系统相近的模型结构对设计高性能WPT系统具有重要意义。此处以LCL-S补偿结构的WPT系统为研究对象,根据次级电路工作特点建立整流器负载等效阻抗模型,基于等效阻抗模型对谐振补偿参数设计进行优化。仿真与实验结果表明,所建立的等效阻抗模型精准度较高,采用优化后的谐振补偿参数系统输出功率提升显著。     

直流变换器虚拟电容电流前馈控制策略

建立了Boost变换器带恒功率负载时控制系统的小信号模型,分析了影响母线电压稳定的相关因素,证明了增加直流母线电容有利于提高直流母线电压稳定性,针对该结论对Boost变换器提出一种虚拟电容电流前馈控制策略。小信号模型分析、仿真和实验结果均表明这种控制策略能有效抵消恒功率负载负阻抗特性对母线电压稳定性的影响,有利于提高驱动系统功率稳定输出范围。     

基于交错并联软开关双向变换器的研究与分析

基于有源钳位软开关的双向变换器在直流微电网、电动汽车等场合中被广泛应用,为了研究交错并联软开关双向直流变换器的工作效率以及动态响应性能,本文采用基于有源钳位两相交错并联双向Buck/Boost变换器电路拓扑,通过对该变换器不同模式下的工作模态进行分析,并采用状态平均法详细推导了交错并联软开关双向变换器的稳态模型和交流小信号等效模型,最终进行实验验证,结果表明：该电路拓扑中的所有开关管都能在零电压条件下开通,并且交错并联型拓扑结构可以有效地降低输出电感的电流纹波,使得系统的工作效率相比于常规双向变换器拓扑有所提高,最终通过仿真模型验证了本文所建立的小信号模型的正确性,结合负载动态实验得到该系统补偿后的动态响应性能较好。     

基于等效阻抗的逆变器并联与环流抑制研究

低压孤岛微电网系统中,由于线路呈阻性,应用传统下垂控制往往存在功率耦合,当含有本地负荷时传统控制策略更加难以实现功率均分以及环流抑制.对此,此处提出了一种等效虚拟阻抗的逆变器并联控制策略以降低线路阻抗和本地负载不相等时引起的无功功率均分误差.首先分析环流和功率特性,得出端电压和线路阻抗与无功功率和环流之间的关系,基于等效阻抗计算方法对本地负荷和线路阻抗等效计算,根据等效阻抗设计虚拟复阻抗实现功率解耦控制.同时对传统下垂控制引起的电压跌落问题加入线路阻抗电压以及电流偏差补偿控制策略,缓解功率均分和端电压降落之间的内在矛盾.实验验证了该方法的有效性.     

EV-BWPT无缝功率环移相控制策略研究

电动汽车双向无线电能传输系统以其便捷性、安全性和可靠性高等优势,在车网互联时代得到广泛应用。与传统的单向系统相比,双向系统需要在多个不同控制自由度中进行选取,从而影响系统传输效率。为降低系统无功功率,提高效率,提出一种双向无线电能传输系统无缝功率环移相控制策略。首先,对基于双边LCC补偿网络的双向无线电能传输系统进行了有功和无功功率传输特性分析,得出有功/无功功率与效率、内移相角及外移相角之间的关系;进而提出采用有功功率环路控制外移相角、无功下垂环路控制内移相角的无缝功率环移相控制策略,且该控制策略无需切换模式即可实现功率正反向流动;最后,通过Matlab/Simulink以及半实物实验平台,验证该控制方法的有效性。     

矩阵整流器功率特性研究

首先利用电路dq转换技术,基于电流空间相量算法推导了一种三相AC-DC MC,即矩阵整流器系统的完整dq变换模型,在此基础上进行了较为系统和全面的性能分析,包括功率特性分析,如电压利用率、输出电压极性、输入功率因数、有功功率、无功功率以及视在功率等性能指标,并绘制成图加以比较分析,便于对该变换器性能的认识.分析认为,该变换器是一种柔性的四象限三相AC-DC变换器,其特征为:①输出直流电压在负的最大值到正的最大值之间连续可调,最大值为输入相电压幅值的1.5倍,并依赖于输入电流位移和负载电阻;②功率开关电路部分等效成一个理想的变压器,能够调压和调流,同时能够进行前后级阻抗变换;③输入端有功功率、无功功率和输入功率因数都与输入电流调制度、输入滤波器参数、输入电流位移和负载电阻大小有关;④无功功率的调节能力依赖于有功功率的调节.还分析了单位输入功率因数的运行条件,划分了矩阵整流器四象限工作制及功率特性.     

功率双向流动时背靠背变流器稳定性分析

背靠背变流器作为区域电网互联的关键器件,其自身稳定性是保证电网间稳定运行的重要前提.文章主要从变流器直流端阻抗的角度研究了功率双向流动时背靠背变流器稳定性问题,分析显示背靠背变流器直流端在功率正向传输的稳定性劣于功率反向运行.针对功率双向运行对系统产生的稳定问题,提出在逆变器中引入直流电流内环控制从而对逆变器直流/交流...     

基于81电平铁路功率调节器的不平衡补偿策略

为进一步降低铁路功率调节器在大功率补偿过程的开关频率,采用开关频率较低的混合级联81电平变换器作为电压源、开关频率较高的单相全桥变换器作为电流源,将两个电压源背靠背连接,提出一种81电平铁路功率调节器。由于系统中承担85%的补偿功率的开关器件的开关频率在250 Hz及以下,开关频率高的电流源仅承担1%的功率,因此系统开关损耗小且对补偿电流参考信号的跟踪性能好。研究了系统的基本结构及其等效电路,通过构建等效对称三相电压源建立等效三相电路,采用有功功率平均分配法,使得补偿后的系统等效为Y-Y型对称三相电路,从而实现不平衡电流补偿,并提出一种新的补偿电流检测方法。仿真结果证明所提系统及其补偿方法的有效性和可行性。     

开关电源恒功率控制的输入电压补偿方法

对于工作于宽输入电压范围的离线式电流型控制开关电源,为了获得恒功率控制,需要加入输入电压补偿电路以平衡不同输入电压时的过功率保护点.分析了传统反激式开关电源的输入电压补偿原理,提出了一种低功耗的可控输入电压补偿方法,以降低开关电源的待机功耗.实验结果证明了该方法的可行性.     

基于扩展状态平均法的隔离型多端口移相全桥双向直流变换器建模研究

建立了一种用于混合储能系统的隔离型多端口双向直流变换器的数学模型。通过星-网变换建立了移相控制下直流变换器多端口网型等效电路,通过扩展状态平均法建立了N端口变换器在电感电流连续时的状态平均模型和小信号模型,并分析了各端口之间传输的功率。仿真比较了不同端口数下变换器的模型输出和拓扑输出,并以三端口变换器为例,分析了移相比扰动下的模型和拓扑电路的动态响应。结果表明,提出的多端口直流变换器的数学模型能够准确反映移相控制下多端口变换器的稳态性能和动态性能,且对于不同端口数量的直流变换器具有普遍适用性。     

利用基波分析法的串联谐振电容充电电源建模

为进一步研究因具有电流源特性而已广泛应用于电容器充电电路中的串联谐振变换器,利用基波分析法分析了串联谐振变换器,建立了串联谐振变换器基波分析法的稳态模型并在适当修改后用于串联谐振电容充电电源的研究。用搭建的30 kW、1 kV电容充电电源样机验证的结果表明,实验与理论结果在特定条件下非常符合。利用该模型可更快地确定电路工作在给定条件下的谐振参数,使电源的整体效率和器件的应力都取得最优,使用稳态模型仿真可大大地节省仿真时间,从而使系统的设计更快捷,工作更稳定。     

单级组合式不间断高功率因数AC/DC变换器研究

提出了一类基于Boost-Flyback变换器的单级组合式不间断高功率因数AC/DC变换器电路结构与拓扑族。这类变换器由二极管整流桥和具有功率因数校正、不间断供电、输出电压快速调节等功能的Boost-Flyback变换器构成，可以将1种交流电压变换成所需要的输出直流电压。分析研究了这类变换器的3种工作模式(正常工作模式、后备工作模式、充电工作模式)、稳态原理特性、控制策略和关键电路参数设计准则，并给出了原理试验结果。这类变换器具有单级功率变换、不间断供电、网侧功率因数高、蓄电池与电网或负载高频电气隔离、输出电压调节速度快、体积重量小、成本低等优点。     

超高压电网无功平衡实用计算

介绍了以直流潮流为基础,结合最优无功补偿理论的超高压电网无功平衡计划实用计算方法.该方法根据电网有功日负荷预测值,按照实际的电网拓扑结构和运行方式,首先计算线路和变压器等电网元件的等值电、路参数,生成导纳矩阵,通过直流潮流计算支路有功潮流和无功损耗,然后按照无功分点在线路中点的优化理论,快速优化各节点无功补偿量.算例表明,该实用算法可避免重复迭代和潮流不收敛问题.     

HVDC滤波换相换流器的阻抗频率特性

高压直流输电(HVDC)换流器的阻抗频率特性是分析和解决谐波不稳定的一个重要因素,滤波换相换流器(filter commutated converter,FCC)是一种具有阀侧谐波抑制兼无功功率补偿功能的换流器,文章简要论述了FCC的接线方案和工作机理,并基于开关函数法对计及换流器换相过程影响下的FCC交、直流等值阻抗计算式进行了理论推导。以直流输电开发平台为例,对传统电网换相换流器(line commutated converter,LCC)与FCC的阻抗频率特性计算结果进行对比,仿真结果表明换流器的阻抗频率特性对交流系统的谐振频率有着不可忽略的作用,FCC在一定程度上提高了交流系统强度,改善了系统稳定性,有效降低了系统谐振频率下的交流等值阻抗,从而更好避免直流输电系统谐波不稳定现象的发生。