分布式电源系统中变换器的输出阻抗与稳定性分析

稳定性问题是分布式电源系统的关键问题,它由源变换器的输出阻抗和负载变换器的输入阻抗共同决定.采用理论分析和实验相结合的方法,对连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)下Buck型DC-DC变换器输出阻抗的小信号模型、影响因素及优化设计方法进行研究,为制定分布式电源系统中变换器的阻抗标准提供了参考依据.给出一种实用的电流扰动测试法,可以测量变换器的输入、输出阻抗以及级联变换器的阻抗比.采用此方法对搭建的一个级联式DC-DC变换器系统的阻抗比进行测量,并根据阻抗比禁止区对系统的稳定性进行判断.     

基本直流/直流变换器及直流分布式电源系统拓扑分析

DC/DC变换器及DC分布式电源系统已在很多工业领域得到广泛应用,系统研究基本DC/DC变换器及DC分布式电源系统的拓扑构建规律及方法。首先,将基本DC/DC变换器按功能划分为输入、变换及输出共3个级联单元,每个单元有电压型及电流型之分;其次,根据电路理论得到相应拓扑构建原则,并构建电压–电压、电流–电压、电流–电流、电压–电流4类基本DC/DC变换器;对电压型和电流型变换单元的变压、变流关系进行分析;最后得到12种基本DC/DC变换器拓扑及其输入、输出、开关占空比之间的关系。在此基础上,根据上述拓扑构建原则,构建基本DC电压型和电流型分布式电源系统,并得到简化的DC电压型和电流型分布式电源系统。以大功率LED驱动为例,研究简化DC电流型分布式电源系统的应用,给出相关仿真及实验结果。     

级联Buck变换器混合无源控制与大信号稳定性

为提高变换器的动态性能并分析级联系统的稳定性,本文首先对级联Buck变换器系统进行混合无源控制器的设计,使电流内环为无源控制,电压外环为PI控制.然后,引入混合势函数理论对混合无源控制下的级联变换器系统进行稳定性分析,得到该系统的大信号稳定性判据.仿真结果表明,本文所得判据易于判断和分析系统的稳定性,相比传统的双PI闭环控制策略,采用混合无源控制策略的变换器可获得更加良好的动态性能.     

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.     

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。     

基于虚拟同步电机控制的固态变压器对多控制类型分布式电源接入的适应性分析

固态变压器(SST)具备交直流环节,可用于实现交、直流微电网间的互联。针对交-直-交非隔离型的SST,提出引入直流下垂控制环节的虚拟同步电机(VSM)控制策略,使SST交直流端口具备惯性和阻尼,提升系统稳定性;建立VSM小信号模型分析直流侧电压与功率分配关系,便于实现交、直流侧互联微电网间的能量平衡,进而提出基于VSM的SST整体控制策略,在SST网侧和源荷侧变换器级联新的控制环路,实现网侧变换器快速响应及源荷侧变换器单/三相负荷、多控制类型(恒功率控制、下垂控制、虚拟同步机控制)三相分布式电源接入的需求;通过仿真分析验证所提基于VSM控制的SST对不同控制类型分布式电源的接入适应性。     

优化负载变换器输入阻抗的输入电流内环控制方法

为提高级联系统的稳定性,应尽量减小源变换器输出和负载变换器输入阻抗的交集区。一方面,尽量减小源变换器的输出阻抗;另一方面,尽量增大负载变换器的输入阻抗。基于DC-DC变换器的一般性小信号模型,提出以平均输入电流环为内环、输出电压环为外环的双环控制方法,分析在这种控制方式下影响变换器输入阻抗的因素,并给出改变内环电流采样系数前后变换器输入阻抗的量化计算过程。分析表明,当电流内环的截止频率大于电压外环截止频率时,增大电流采样系数,能够提高电流内环环路增益,有效增大负载变换器的输入阻抗。从而在级联系统中,能够有效减小负载变换器的输入阻抗与源变换器输出阻抗的交集,提高级联系统的稳定性。通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。     

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。     

考虑直流侧动态的跟网型变换器稳定性分析

目前大部分关于并网变换器的研究忽略直流侧动态,在直流侧使用恒定电压源,一定程度上影响小干扰稳定性分析。本文主要考虑直流侧动态对跟网型变换器进行建模及稳定性分析。首先,分析了新能源场站并网系统直流侧可等效为电压源和受控电流源的适用条件,论证了并网变换器建模时考虑直流侧动态的必要性。随之建立了考虑直流侧动态的跟网型变换器谐波状态空间 (harmonic state-space, HSS) 阻抗模型。其次,在不同电网强度下,通过伯德判据对不同直流侧结构的系统进行稳定性分析,揭示了电网强度对跟网型变换器稳定性的影响机理。然后,分析了锁相环、电流环、滤波环节对系统阻抗特性的影响。理论分析与电磁暂态仿真结果表明弱电网条件下,锁相环与电网呈现强交互作用,降低了系统的小干扰稳定性,考虑直流侧动态的系统临界短路比更大。     

电压调整单元双有源桥级联系统的阻抗匹配优化设计

具有电压调整单元(VAU)的双有源桥(DAB)直流变换器是解决宽电压输入时电感电流应力问题的方案之一,然而VAU-DAB存在级联稳定性问题.该文分别推导前级VAU输出阻抗模型和后级DAB输入阻抗模型,在复频域下根据禁区概念阻抗稳定性判据分析级联系统阻抗比,研究阻抗特性对级联系统稳定性的影响.由于VAU输出阻抗谐振峰值与DAB输入阻抗存在交叉点,使级联系统由于阻抗不匹配而导致系统电压振荡失稳.在此基础上,该文基于阻抗匹配准则,提出一种基于超前-滞后的阻抗优化调节器用以抑制VAU输出阻抗谐振尖峰,使级联系统阻抗比满足稳定性判据,提升了系统运行可靠性,并优化了电流应力.最后通过仿真验证了该文提出阻抗优化调节策略的有效性及可行性.     

逆变型分布式电源微网并网小信号稳定性分析

为研究逆变型分布式电源微网并网运行的小信号稳定性,建立了完整的并网运行微网小信号动态模型,主要包括2个子模型:网络及负荷小信号动态子模型和功率(或电压)、电流双环控制逆变器小信号动态子模型.应用所建立的模型,首先分析了主网与微网之间联络阻抗对并网运行微网小信号稳定性的影响,得出联络阻抗过大不利于微网保持小信号稳定的结论...     

变换器级联运行有功电流传输极限分析及优化EI北大核心CSCD

级联运行的电压控制型变换器和电流控制型变换器在离网型微网中广泛应用。针对电压控制型变换器和电流控制型变换器级联运行的电流极限问题,证明输出电流达到极限值会致使系统失稳,严重限制系统输出功率。因系统呈高阶特性,该电流极限的理论值难以直接从阻抗稳定判据推导得到。由此,该文分析并验证阻抗稳定判据和复转矩系数法的一致性,并采用复转矩系数法推导系统有功电流传输极限值,其中包括电压控制型变换器和电流控制型逆变器的级联有功电流极限值以及电压控制型变换器和电流控制型整流器的级联有功电流极限值。然后,分析控制器参数对电流极限值的影响,指出调整控制器参数无法使系统电流极限得到有效突破。由此,为提升系统可传输有功电流,从而提升输出功率,针对电压控制型变换器,考虑其过载限流能力,提出一种改进电压控制方法。最后,通过仿真和实验结果验证研究结果的正确性和所提电压控制方法的有效性。     

级联式DC/DC变换器输出阻抗的优化设计与稳定性

级联式DC/DC变换器的稳定性是分布式供电系统设计中的重要问题.本文通过仿真和实验研究了单个DC/DC变换器的闭环输出阻抗的特性,提出源变换器输出阻抗的优化设计准则;在分析容性负载对变换器性能影响的基础上得出母线滤波电容的设计原则;并对实际的级联式DC/DC系统进行改进,采用注入电压源扰动法测试阻抗比,分析了系统的稳定性.实验结果表明,阻抗比的优化设计可以保证级联系统的稳定性.     

一种用于优化LC-DAB级联系统稳定性的虚拟阻抗控制技术

将LC滤波器级联在双有源桥(DAB)变换器输入端,可改善输入电流质量,但DAB变换器和LC滤波器之间的相互作用易导致LC-DAB级联系统出现振荡现象.该文首先建立DAB变换器的状态空间平均化小信号数学模型,推导LC-DAB变换器的输入和输出阻抗模型以用于预测级联系统稳定性.基于此,采用有源阻尼的优化思路,分别提出基于LC-DAB变换器一次侧电容电压的并联虚拟阻抗和一次电流的串联虚拟阻抗控制策略,从而使得级联系统在全功率范围内均能稳定运行.实验结果证明,该阻抗模型及所提控制策略的有效性及正确性.     

分布式电源级联系统稳定性分析与增强控制

采用多直流模块级联的分布式电源,在新能源发电、网络能源、航空航天等中低压直流系统中获得了广泛应用。针对多级串联型级联系统,提出一种利用各个子模块在理想电压输入下的输出阻抗和空载电压输出下的输入阻抗,计算出整个级联系统开环传递函数的方法,绘制阻抗匹配条件Nyquist曲线,构建出适用于多直流模块级联系统的广义稳定性判据,并提出输出电流反馈优化级联系统的输出阻抗策略,获得了可以改善级联系统稳定性的增强控制方法。通过仿真和实验,验证了稳定性判据条件和改善稳定性策略的有效性、准确性和可行性。     

基于VSC与DRU的混合级联型海上风电直流外送系统控制与阻抗建模

混合级联型海上风电直流外送系统具有高压、大容量、投资成本低等优势,但其并网稳定性问题一直备受关注,而系统阻抗建模是分析稳定性的基础。基于电压源型换流器(voltage-source converter,VSC)与二极管整流器(diode rectifier units,DRU)的混合级联型海上风电直流外送系统,建立了VSC-DRU混合级联换流站的详细数学模型;为实现直流外送系统中有功功率主动分配和交流集电系统电压稳定,研究了含滤波电容电流反馈的VSC功率-电压调节控制策略;采用小信号扰动方法,考虑锁相环输出相角调节、有源阻尼控制及功率控制影响,推导并分析了闭环控制下VSC-DRU混合级联换流站的详细阻抗模型,为研究系统稳定性提供了依据。最后,在PSCAD/EMTDC中进行仿真验证,结果表明所提控制策略具有良好的功率-电压调节性能,并通过频率扫描法验证了所建详细阻抗模型的正确性。     

一种DC-DC变换系统的稳定性分析

本文提出了一种用于直流分布式电源系统(DPS)的DC-DC变换系统设想。研究基于脉冲宽度调制(PWM)电压源级联变换器的双回路PI控制策略,最小化电压纹波并确保系统的稳定性。首先,得到系统的数学模型。然后,利用稳定性分析的方法来验证系统稳定性。最后,最小化中间总线和输出电压的纹波。     

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。     

MMC型级联变换器阻抗建模和稳定性分析

工程中常通过不同类型的变换器灵活级联以实现不同的功能,然而变换器级联系统中前、后级变换器之间的相互作用可能会导致系统稳定裕度不足甚至失稳,不同类型的模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)级联也将面临稳定性问题。建立了MMC型级联变换器的稳定性分析模型,并提出了一种基于串联阻尼电阻的稳定性提升策略。首先,建立了MMC型AC/DC变换器和DC/DC变换器的阻抗模型,在稳态工作点附近推导出两种MMC型变换器的小信号模型,从而获得前级变换器的输出阻抗和后级变换器的输入阻抗。其次,分析了MMC型级联变换器的稳定性,结果表明,当前级变换器输出阻抗与后级变换器输入阻抗不匹配时,级联系统稳定性裕度可能不足导致系统失稳。进而,分析了MMC型级联变换器的平波电感、桥臂电感和子模块电容等一次参数对级联系统稳定性的影响。最后,提出了一种基于串联阻尼电阻的稳定性提升方法,并给出了串联阻尼电阻的选择建议。仿真结果表明提出的稳定性控制方法可有效提升MMC型变换器级联系统的稳定性。     

带恒功率负荷的直流微电网母线电压稳定控制策略

呈现负阻尼特性的恒功率负荷与分布式电源接入变换器级联容易导致系统出现振荡,给直流微电网稳定运行带来隐患。通过建立带恒功率负荷变换器在平衡点的小信号模型,推导变换器占空比与母线电压的传递函数,并从理论上分析传统PI控制器不能提高系统稳定性的原因,进而提出一种提高直流微电网母线电压稳定性的新型控制策略。通过绘制闭环系统的根轨迹图,分析控制器各参数的变化对系统稳定性的影响。以两源两负荷的直流微电网为例,建立MATLAB/Simulink仿真模型,仿真结果表明孤岛和并网运行下采用所提控制策略均可以保证直流微电网稳定运行。