Boost DC/DC变换器输出阻抗研究

在直流微电网中,变换器是一个极其重要的单元,对其阻抗特性及稳定性研究很关键。文章基于Boost DC/DC变换器,从电路参数(电感电容等)的角度,在连续导电模式下,根据控制方式的不同对其输出阻抗进行小信号建模,进而理论和实验相结合分析输出阻抗的特性,为制定微电网直流分布系统中变换器的阻抗标准提供了参考依据。最后搭建的一个级联式DC/DC变换器系统对阻抗比(前级输出阻抗与后级输入阻抗模之比)进行测量,并根据阻抗比稳定性判据对系统的稳定性进行判断。分析组成级联系统负载级的线路参数对系统稳定性的影响,总结规律与结论,从而对直流微电网进行稳定性分析。     

模拟直流发电机特性的储能变换器控制策略

直流微电网的变换器均通过电力电子变换器接入直流母线,而电力电子变换器缺少惯性和阻尼作用,负载功率突变会引起变换器端口电压电流的振荡,给直流母线带来较大的冲击,影响微电网的稳定性。文中参考虚拟同步发电机在并网逆变器控制中的应用,提出了一种模拟直流发电机特性的储能变换器控制策略,使储能变换器具有直流发电机的端口特性,并建立小信号模型,利用阻抗比判据分析了其小信号稳定性。仿真和实验证明所提控制策略可以增强储能单元维持直流微电网内功率平衡的能力,提高直流微电网的供电质量。     

基于无源阻尼的直流微电网稳定性分析

多变换器与负载交互所引起的稳定性问题已成为直流微电网领域的一个研究热点,但目前稳定性研究大多集中在单一控制的直流微电网,缺乏普适性。针对母线电压分层控制下的直流微电网稳定性问题,建立了各接口变换器在不同控制下的小信号模型和直流微电网等效阻抗模型,并利用阻抗比判据判定直流微电网3种模式的小信号稳定性,将稳定性最差的模式作为直流微电网系统稳定性的判定指标。采用无源阻尼法,通过增加阻尼电阻改善了负载阻抗特性,使直流微电网的稳定性得到提高并得出滤波参数对稳定性的影响规律。研究结果表明:模式2下直流微电网稳定性最差,在添加了12?阻尼电阻后,幅值裕量增加了12.7 d B,相角裕量增加了11.5°。因此无源阻尼可改善负载阻抗特性,从而提高直流微电网稳定性。     

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。     

带恒功率负载的交直流混合微电网系统大信号稳定性分析

在交直流混合微电网系统中,绝大部分负载都是通过电力电子变换器与微网母线连接,闭环控制的电力电子变换装置可视为恒功率负载,具有负阻抗特性,在扰动情况下,会影响系统稳定性,甚至导致整个系统无法正常工作.该文考虑恒功率负载动态性能,在储能单元充、放电模式下应用混合势函数理论对并网交直流混合微电网系统进行大信号稳定性分析.首先,将整个系统等效为dq旋转坐标系下的直流系统.接着分别建立储能单元充、放电的混合势函数模型,进行稳定性分析,得出系统大信号稳定性判据.所得到的大信号稳定性判据给出了直流侧稳压电容、交流侧滤波电感、互联变流器电流内环控制参数kip、电压外环控制参数kvp与系统能带恒功率负载功率最大值的关系.对比可知,当储能单元由充电变为放电时,交直流混合微电网系统能带恒功率负载的功率最大值显著增加.最后,应用Matlab软件搭建交直流混合微电网系统仿真模型,仿真结果表明,所提判据能够保证交直流混合微电网系统大扰动下的稳定性.     

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.     

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。     

恒功率负载条件下Boost变换器复合控制技术

直流微电网中大量接入变换器驱动负载,因其输入阻抗往往表现出负阻抗特性,易与供电单元产生交互作用,极大地衰减了系统阻尼,激发了系统振荡。为此,针对直流微电网源侧Boost变换器,此处提出一种无源控制(PBC)和扩张高增益状态观测器(EHGSO)相结合的复合控制方法,首先建立了考虑多因素影响的Boost变换器模型,然后结合无源理论及观测器理论设计了复合控制器,确保了系统在不同负载工况下的全局稳定性,并在实验室内建立了含两台120 W原理样机及一台恒功率负载的实验微电网系统,通过实验验证了所提方法的有效性和正确性。     

孤岛模式下风电直流微电网小信号稳定性分析

将基于阻抗比判定系统电压稳定的方法引入风电直流微电网中,建立并分析系统小信号模型,推导各单元输出/输入阻抗表达式。对于风电单元,详细推导其在两相同步旋转坐标系下的小信号控制模型,分析母线电压、穿越频率等关键参数对直流端输出阻抗的影响。在此基础上,建立了直流微网源、负载子系统的阻抗比模型,对级联系统稳定性进行了仿真分析。仿真结果表明:所提小信号阻抗比稳定性分析方法对风电直流微电网系统参数设计具有一定的指导性。     

基于环路增益的直流微网母线阻抗在线估计和阻尼方法

直流微网通常由多个含反馈控制的电力电子变换器连接到普通直流母线上构成。虽然每个单独的变换器的控制回路设计具有良好的稳定裕度,但由于潜在的相互作用,多个电源和负载变换器的互连会导致稳定性问题。因此,为了确保互连电力转换器系统的动态性能,一个值得研究的方法就是对直流母线进行在线稳定性监测,并适当地阻尼直流母线阻抗。首先,根据源侧变换器的电压或下垂环路增益推导了直流母线阻抗的表达式。其次,基于相位裕度的系统动态行为的指标给出母线阻抗峰值的估计。接着,提出只需在电压（或下垂）回路中注入一个正弦信号,即可连续监测母线阻抗峰值。然后,根据监测的值自动调整电压调节器,以保持母线阻抗在一个众所周知的允许阻抗区域。最后,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性和优越性。     

基于无源控制的Buck变换器稳定性研究

直流微电网中存在大量的恒功率负载,由于恒功率负载具有负阻抗特性,会给电源系统的稳定运行带来不利影响,不利于负荷的即插即用。通过分析带有恒功率负载的Buck变换器动态特性,基于无源控制理论和系统的状态空间数学模型将传统无源控制器与比例积分调节器相结合,得到自适应的无源反馈控制器,用于消除由负载变动引起的稳态误差。利用Matlab/Simulink建立仿真模型,仿真结果表明:与传统无源控制相比,在恒功率负载发生变化时,改进后的无源控制器能对扰动快速响应,输出电压无稳态误差,具有更好的稳定性能。最后,该控制策略的有效性在Opal-RT实时仿真机上得到了进一步验证。     

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。     

基于虚拟惯性控制的直流微电网稳定性分析及其改进方法

虚拟惯性控制可以增强直流微电网的惯性,防止直流母线电压突变,但其对系统稳定性的影响还不明确。以基于虚拟惯性控制的直流微电网为研究对象,推导并网换流器和恒功率负载的小信号模型,得到电源侧输出阻抗和负载输入阻抗。根据频率分析法和阻抗匹配准则,分析虚拟惯性系数和恒功率负载对系统稳定性的影响。从阻抗匹配的角度出发,提出串联虚拟阻抗减小电源侧输出阻抗,从而提高系统稳定裕度。     

含恒功率负荷直流微电网的状态反馈电压振荡控制技术

扰动发生后新能源发电和恒功率负荷侧换流器在现有功率控制模式下所表现出的负阻抗特性,会大幅增加直流电压振荡失稳的风险.为此,首先针对直流电压振荡失稳的问题,推导含恒功率负荷两端直流微电网的小扰动线性化状态方程.其次,结合各状态变量的参与因子,选取振荡电流、电压作为可调节控制参数,将其分别引入储能换流器与恒功率负荷换流器的占空比反馈环节中,提出基于状态反馈的多端直流电压振荡控制方法.然后,利用根轨迹、Bode图分析附加状态反馈电压振荡控制技术后的直流微电网稳定裕度的变化规律,为控制参数设计提供依据.最后,搭建时域仿真系统,验证了所提出的控制方法可有效抑制直流微电网的电压振荡,显著提高系统的动态稳定性.     

基于附加电量的直流微电网动态稳定控制策略

直流微电网的低惯性问题以及遭受扰动后分布式电源与负荷短时保持功率恒定引入的负阻尼,均会削弱直流电压的动态稳定性.对此深入探讨了直流微电网的动态稳定机理,从电量的角度赋予系统稳定判据物理意义.首先基于直流微电网的伏安特性,分析系统运行点的移动轨迹与稳定运行约束条件.其次,基于直流微电网的状态方程,推导系统的电量模型,分析各端换流器具备的暂态电量对系统稳定运行的影响机理,并结合稳定运行条件,提出基于附加电量的直流微电网的动态稳定裕度及判据.然后,基于直流微电网的动态稳定裕度,通过改进储能侧换流器的电压下垂控制,提出基于附加电量的直流微电网电压动态稳定控制策略,并分析其对直流电压暂态过程的影响.最后,搭建多端直流微电网仿真系统,验证所提电压动态稳定判据的正确性,以及附加电量对直流微电网动态稳定的支持能力.     

煤层气抽采直流微网建模与稳定性分析

针对目前煤层气抽采现场用电不合理现状,构建一种新型煤层气抽采直流微网供电系统,并对该直流微网系统稳定性及控制策略进行研究。煤层气抽采直流微网供电系统分三层结构:第一层由光伏和蓄电池组成能量供给层;第二层由双向Buck/Boost变换器构成能量传输和分配层;第三层由煤层气抽采机构成负荷层。基于此架构推导了第一、二层输出阻抗Zo(s),并建立第三层煤层气抽采机电动机输入阻抗Zin(s)与受控源K??m串联的小信号模型,在此基础上得到系统全局小信号模型。考虑到呈现负阻抗特性的煤层气抽采机电动机周期性动态交变负荷引起的系统不稳定,在能量传输和分配层分析并讨论了一种基于虚拟阻抗的直流微网稳定性控制策略,以及利用下垂控制实现负荷功率动态平衡分配的方法。进一步利用阻抗匹配原则求解多项式1/(1+Zo(s)/Zin(s))主导极点,比较采取该稳定性控制策略前后的主导极点位置并分析直流微网系统稳定性。最后基于Matlab/Simulink搭建由光伏阵列、储能单元和煤层气抽采机组成的煤层气抽采直流微网系统模型,系统仿真证明了稳定性控制策略的有效性。     

直流微电网电压等级的选择及其稳定控制策略研究

针对直流微电网电压等级的选择与确定,在已有直流标准和直流工程电压等级基础上,考虑微电网容量和供电半径,进行运行损耗计算,从而选择最优的直流母线电压等级。针对直流微电网电压稳定控制,并网运行时采用储能DC/DC变流器控制直流母线电压稳定,AC/DC逆变器控制直流微电网并网功率。孤岛运行时采用储能DC/DC变流器控制直流母线电压稳定。在PSCAD/EMTDC中搭建直流微电网仿真模型,进行不同运行模式下的电压稳定控制策略仿真验证。结果表明,所采用的电压稳定控制策略,在光伏发电功率和负荷功率波动的情况下,能很好地控制直流微电网电压稳定。     

主从控制混合微电网中互联变流器控制策略

针对基于主从控制的交直流混合微电网,研究了孤岛模式下的功率平衡关系和互联变流器控制策略。主控制单元控制系统的功率波动,维持系统的稳定性,因此提出了主控制单元容占比的概念,来反映两侧微电网的运行状态;根据此概念,建立了交直流两侧的数学联系,设计了互联变流器的分区段控制策略,调节功率在微网间的流动,以实现两侧功率的相互支撑;为了避免互联变流器运行模式的频繁切换,设置了滞回比较环节,提高系统的稳定性。在PSCAD／EMTDC搭建了交直流混合微网仿真模型,结果表明,在孤岛模式下分区段控制策略能够实现对互联变流器的灵活控制,可准确调节交直流子网间的功率流动,实现系统的功率平衡以及各微网的电压和频率稳定。     

直流微电网中变换器阻抗特性及系统稳定性研究

针对直流微电网中变换器阻抗特性及稳定性问题,从系统级高度将变换器的输出阻抗作为研究对象,对适用于光伏系统中的连续导电模式（CCM）下Boost型变换器进行小信号建模,得到变换器的开环输出阻抗。分析了变换器在下垂控制方式下的闭环输出阻抗的小信号模型及其影响因素,总结出规律性结论,便于对直流微电网的稳定性进行分析。最后,根据阻抗比判据,分析了线路中不同寄生电容对系统稳定性的影响。仿真结果验证了上述分析的正确性。