模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电架构研究

随着大容量中压直流配电技术的迅速发展,模块化多电平直流变换器受到工业界和学术界的广泛关注。然而,实现高可靠的辅助供电是实现直流变换器在中压直流配电场景中应用的关键技术瓶颈之一。为此,提出一种面向模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电系统架构。该架构实现主控制器、子模块等辅电系统的中压直联馈电,从而无需额外低压直流电源,并且大幅提升系统启动速度。基于此架构设计,模块化多电平直流变换器的子模块控制器和旁路开关辅助供电均实现3倍冗余,提高系统容错运行的能力。在子模块电容预充电阶段,提出一种基于辅助电源自主控制的子模块电容均压方法,保证模块化多电平直流变换器可靠预充电。最终通过实验验证所提辅助供电系统架构的可行性。

直流变换器广义对偶与相通性探讨

提出严格对偶和广义对偶的概念,探讨直流变换器的对偶性与相通性。对于三大类直流变换器,即Buck类、Boost类、Buck-Boost类变换器,包括隔离型和非隔离型,推导其严格对偶变换器,并分析可能存在的广义对偶变换器。对于一个已知的基本变换器,发现存在3个与其对偶的变换器,其中一个为严格对偶,两个为广义对偶。采用相通性,分析组合变换器与基本变换器之间的关联及在变换器推演上用到的相似处理方法,有利于变换器拓展与延伸。将软开关直流变换器看作是直流变换器与软开关电路的组合,可采用对偶与相通的方法对其进行研究。重点研究准谐振变换器的广义对偶与严格对偶,简要分析其余软开关直流变换器的对偶性。最后,通过分析直流变换器和软开关直流变换器仿真波形上的对偶性,验证理论分析的正确性。

基于扩张状态观测器的并联直流变换器增强控制策略

为进一步改善并联直流变换器在多种内外部扰动下的动态性能,提出一种基于双闭环扩张状态观测器(ESO)的增强控制策略。该策略将比例调节器与ESO相结合,然后分别应用于公共电压外环和各个电流内环,实现各功率单元的动态均流,也强化对输入电压扰动的抑制能力,且无需额外传感器。首先,根据并联变换器的状态方程,推导内环电流ESO控制的表达式。然后,根据电流闭环极点的分布情况,从理论上分析ESO型电流内环在输入电压扰动抑制方面强于比例积分型电流内环的原因。此外,借助伯德图,给出ESO型电流内环对电感失配的鲁棒性更强并能有效消除动态电流偏差的理论依据。最后,使用三相buck变换器进行不同方案的对比验证,实验结果证明了所提策略在改进动态性能方面的有效性和先进性。

双有源桥直流变换器三电平扩展移相控制下电感电流有效值最优跟踪控制策略

多电平双有源桥直流变换器广泛应用于电压传输范围宽的场合,能够减小功率开关电压应力,并提供更多自由度,优化变换器性能。首先,该文提出基于三电平扩展移相控制的三电平双有源桥直流变换器最小电感电流有效值跟踪控制策略,建立三电平扩展移相控制策略下各工作模式下的数学模型,根据拉格朗日乘数法得到各可行域内部最优极值点处移相比之间的相互关系;然后,分析边界最优点,通过比较内部最优极值点和边界最优点处电感电流有效值,得到全局最优工作点;最后,根据传输功率与全局最优工作点处移相比的变化关系,得到全局最优工作点跟踪控制策略,克服寄生电阻和开关损耗对最优工作点的影响。将三电平扩展移相优化调制策略与两电平扩展移相控制、单移相控制以及峰值电流优化控制进行对比实验,实验结果验证了所提该优化策略能够有效减小电感电流有效值并提高变换效率。

三端口直流变换器的光储实验平台设计

针对光储实验平台硬件封闭、占地空间大的问题,开发了一套基于项目驱动、模块化的三端口直流变换器实验平台。首先构建基于三端口直流变换器的实验平台,其次设计光伏、储能及负载的功率变换拓扑,然后建立变换器控制系统并研究控制策略;设计主电路电感、电容参数及系统电路,进行控制系统软件设计;最后完成软硬件实验平台测试与分析。实验结果表明,三端口直流变换器负载电压调整率小于2%,系统效率高于94%,光伏侧实现最大功率点跟踪(MPPT),蓄电池实现稳定充放电功能。

一种基于改进型Sepic的零纹波高增益直流变换器

针对光伏发电、燃料电池等新能源发电系统存在的输出电压低、DC/DC变换器输入电流纹波大等问题,提出了一种基于改进型Sepic的零纹波高增益直流变换器。该变换器将改进型Sepic变换器原本的两个电感进行耦合处理,通过结构设计将耦合电感和CD(电容、二极管)升压结构结合,实现高输出电压增益,同时利用电容钳位技术和输入电感实现输入电流零纹波,既提升了新能源发电系统的发电效率也解决了新能源发电系统并网电压低的问题。详细分析了所提变换器的工作原理和输入电流纹波特性、电压增益特性以及开关器件的应力特性,并给出了关键参数的设计。最后搭建了一台100W、36/360V的试验样机,验证了设计方案的可行性。

具备短路电流限制能力的新能源直流汇集双极直流变换器

直流汇集和外送为未来沙漠戈壁荒漠大规模新能源消纳提供了一种可行解决方案,直流变换器是新能源直流汇集系统的关键设备。谐振直流变换器具有在全负载范围内损耗较小,波形质量好等优点,在新能源纯直流汇集场景具有应用前景,然而因其呈现低阻抗、短路故障电流上升速度快的特征,必须对短路电流进行限制。该文提出了一种具备短路限流能力的双极直流变换器,首先分析了拓扑运行原理及其参数设计方法,然后分析了所提直流变换器的故障限流机理,设计了其短路电流控制方法,最后通过Matlab/Simulink仿真和实验样机验证了所提电路和故障限流方法的可行性。结果表明,所提直流变换器能够实现直流短路电流限制,能够在一极故障时维持另一极正常运行,提高了供电可靠性。相关研究成果将为新能源直流汇集系统的构建和工程实施提供技术参考。

非隔离型高升压直流变换器拓扑推演及平台设计

高升压、高效率、高功率密度的DC-DC变换器是可再生能源系统的重要组成部分。耦合电感因其良好的调压特性和高功率密度等特点广泛应用于高升压直流变换器拓扑的构造。基于耦合电感的高升压boost变换器种类非常多,为了帮助学生更好地理解这些变换器,并掌握它们的拓扑规律,该文采用“倍压单元-变换器拓扑-演化规律”思路,总结了一系列非隔离型高升压直流变换器的演变规律。以Y源结构的耦合电感高升压boost变换器为例,进行了模态分析和电压增益推导。为了验证该高升压直流变换器的稳态性质和动态性质,搭建了实验平台,并验证了该变换器的可行性和稳定性,旨在帮助学生加强对电力电子中高升压直流变换器的直观认识和理解,并提升归纳总结能力。

车载用燃料电池直流变换器全状态双环控制方法

研究车载用燃料电池直流变换器全状态双环控制方法,以获得更稳定的输出电压,满足车载电源需求。分析燃料电池输出特性,揭示燃料电池输出电压、电流关系,将其作为依据并结合汽车动力系统结构,设计二次型Boost变换器,在分析其主电路结构以及工作原理的前提下,提出基于输入电压前馈的全状态双环控制策略,电流内环控制通过比较实际输出电流和期望输出电流的差值调节开关操作,以完成负载变化时燃料电池输出电流控制;电压外环控制器根据输出电压和期望电压值之间的差异调整开关状态,实现对燃料电池输出电压控制。实验结果表明:该方法可实现直流变换器控制,控制后的输出电压波形稳定、电压纹波较小、超调量低、控制效率高。

面向舰船综合电力系统的10 kV/2 MW模块化多电平双向直流变换器控制策略

由于电压等级高、模块化程度高、容错性能好等优势,模块化多电平双向直流变换器(MMBDC)非常适合在下一代舰船综合电力系统(IPS)中充当能量路由器的角色。然而,针对该变换器的控制策略存在端口电流不受控、环路耦合强、低频振荡显著等问题。为了解决上述问题,该文首先,建立构成MMBDC的子变换器数学模型,推导低频谐振点。其次,针对直流多端口模块化多电平子变换器提出基于陷波器的三环解耦控制策略,推导该策略的控制环路解耦特性,对控制框图进行了简化,并比较传统控制策略与所提控制策略的动态特性。最后,设计并制作了10 kV/2 MW级MMBDC工程样机,介绍绝缘设计、控制系统架构、电气柜结构布局等工程实现方法,并进行所提控制策略的满功率实验,验证了该文理论分析研究的有效性。

非隔离双向直流变换器反步滑模控制方法研究

由于直流电网中直流母线电压的变化对储能系统的运行有干扰,且储能系统采用双向直流变换器调控直流母线电压时会产生严重的非线性问题,导致母线电压不稳定。因此提出非隔离双向直流变换器反步滑模控制方法,构建非隔离双向四端口直流变换器拓扑结构。该变换器采用单向和双向两种工作模式,且采用互补PWM控制方法控制双向直流变换器工作流程,并通过反步滑模变换器结构控制器,确保非隔离双向直流变换器在确定性差、非线性和外围影响状况下的稳定运行。实验验证该方法有效实现了非隔离双向直流变换器反步滑模控制,确保直流母线电压保持稳定,且方法具有较高的鲁棒性。

基于定频MPC的飞跨电容储能双向直流变换器低频波动功率抑制策略

为抑制直流母线低频波动功率对储能系统的影响,以飞跨电容双向直流变换器为研究对象,提出基于单目标定频模型预测控制(model predictive control,MPC)低频波动功率抑制策略。为降低传统MPC算法的运算负荷,通过对变换器数学模型进行分析,提出一种单目标定频MPC控制算法。该算法仅需通过电感电流单目标约束函数,即可实现对系统电流及双端飞跨电容电压的控制,无须对两端飞跨电容电压进行独立寻优,极大地降低了计算量。为实现对储能系统低频波动功率的抑制,引入低频波动功率抑制算法,通过与所提MPC算法的融合,使最终控制方案能够在实现储能控制目标的前提下,具备低频波动功率抑制能力,且保持良好的动态性能。通过搭建小功率实验平台对所提控制策略的有效性进行了验证。

应用于直流电网的直流变换器拓扑综述

直流电网是解决远距离大功率电能传输和新能源大规模汇集的重要方案,作为实现不同电压等级的直流电网柔性互联的关键设备,直流变换器承担着电能变换与能量分配的任务,其拓扑和工作特性对直流电网的性能具有深刻影响.传统直流变换器的研究主要集中在中小功率领域,而随着直流电网的飞速发展,大功率直流变换器的应用场景进一步拓宽,开展相应拓扑的研究十分必要.本文首先梳理了新能源汇集、直流电网互联等典型场景对直流变换器的技术需求,从电气隔离角度对两端口直流变流器拓扑分类,详细对比研究其拓扑结构和变换性能,并对多端柔性互联场景中更具潜力的多端口直流变换器进行综述.然后,系统总结了直流变换器的技术特征及适用场景,并在±10 kV/±375 V的典型直流配电网算例下阐明了各类直流变换器的优缺点.最后,基于实际工程需求总结提炼了当前直流变换器存在的共性问题,并从轻量集约的设计趋势和稳定高效的发展要求展望了直流变换器的未来研究方向,以期为高压直流电网建设提供借鉴.

基于神经网络拟合显式MPC的高增益直流变换器

针对燃料电池、风力发电等新型能源系统输出电压较低的问题,提出一种具有拟合显式模型预测控制(model predictive control,MPC)的高增益、高效率直流变换器。该变换器具有非隔离型三绕组耦合电感基本单元结构,通过改变匝数比,在合适占空比下实现高增益,同时也降低了开关器件应力。此外,所提变换器采用无源钳位电路,回收漏感能量,抑制了开关管的电压尖峰。为了提高所提变换器的动态性能及抗扰能力,利用神经网络离线拟合显式MPC控制规律的策略,提高了输出电压跟踪精度,减小了输入电压变化和负载变化带来的扰动,具有良好的动态响应。最后在理论分析的基础上,制作出了一台输入10~12 V、输出100 V/100 W的实验样机,实验结果验证了所提变换器的有效性。

光伏逆变器与直流变换器的典型拓扑与控制策略综述

随着太阳能光伏并网发电量在电网总发电量中所占的比例越来越高,对光伏发电系统中并网部分的稳定性能和控制性能提出了更高的要求。对光伏发电系统中的重要设备进行研究,总结了光伏逆变器和直流变换器的工作原理和分类,对设备典型拓扑结构及控制策略的研究现状进行了分析,探究设备的技术优势和发展方向,并对其在光伏发电系统中的应用进行展望。

一种新型高增益软开关双向直流变换器

针对储能设备的充放电应用场景,文中提出一种新型双向直流变换器结构。该变换器具有正向高电压增益、宽输入范围、可实现软开关的特点。通过两个交错并联的电感交替充放电,可以减小输入电流纹波;高压侧的2个分压电容不仅能够将电压增益提高1倍,还能在全状态下都实现自动均压。通过增加谐振单元帮助实现开关管的软开关的同时,谐振单元中的开关管也能够实现零电流关断。文中对拓扑的演绎和改进方法进行阐述,对拓扑结构的工作原理、软开关实现方式进行分析;并与其他的相似拓扑结构进行性能比较。最后通过搭建仿真模型验证设计的变换器结构的有效性和可行性。仿真结果表明:所提变换器具有比传统Boost-Buck电路更高的正向电压增益,能够实现能量双向流动;且无论正向升压模式还是反向降压模式,都能够实现主要开关的软开关,以达到减小拓扑结构自身损耗的目的。

多端口直流变换器的协调控制研究

协调控制技术是保证直流微电网高效可靠运行的关键。目前业内更多关注基于两端口互联装置的简单直流微网的功率协调控制,而对多端口直流微网系统的协调控制较少涉及。提出了一种由光伏端、中低压直流端、负荷端等组成的多端口直流变换器的拓扑结构,分析了各端口运行特性、功率控制能力、运行模式及其转换方案,并通过MATLAB/Simulink平台进行了系统多模式切换及稳态运行仿真验证。分析结果表明:该控制方法能够实现多端口变换器的能量合理分配和直流电压的协调控制,保证了系统在不同模式下的可靠运行。

基于多端口直流变换器的光伏电池DMPPT实验平台研制

光伏电池作为一种清洁高效的新能源受到广泛关注,但其子模块在串联使用过程中因不均匀老化、局部遮光等原因易发生功率失配,从而产生“热斑效应”,降低光伏电池的利用率和使用寿命。为了使学生深入了解光伏电池模型及其串联不匹配带来的特性表征以及如何解决这一问题,该文研制了一个基于多端口直流变换器的光伏电池DMPPT(distributed maximum power point tracking,最大功率点跟踪)实验平台。首先,对光伏电池进行建模并分析了光伏电池的串联失配特性;然后,分析研究了多端口直流变换器在光伏模块串联应用中的电压均衡策略;最后,研制了36 V/200 W基于多端口Buck-Boost直流变换器的DMPPT实验平台,得到了系统稳态波形,并与采用二极管旁路的方式进行了对比。学生可通过该实验平台和该实验案例更加深入地了解光伏电池模型及其失配特性,以及如何采用多端口变换器实现光伏电池的DMPPT,掌握光伏电池的建模方法,培养发现问题、解决问题、仿真验证的实践能力。

基于光伏发电的一种双向Cuk型直流变换器研究

为探索弥补太阳能光伏发电系统供电不连续、不稳定等缺陷,设计了一种双向Cuk型直流变换器,作用于光伏直流母线与蓄电池之间,发挥能量双向传递的桥梁作用,实现电能高效变换和稳定输出的功能。使用Saber软件从正向降压工作模式和反向升压工作模式对所设计采用的双向Cuk型DC-DC变换器拓扑电路开展了仿真实验和结果分析,实验结果验证了所提出电路的有效性和可靠性。

直流变换器调制和反馈控制模式研究与分析

随着电力电子技术的发展,开关变换器的应用程度越来越高。本文从直流变换器的基本类型、调制方式、反馈控制模式着手,对当前直流变换器发展中的常见类型进行综述,以利于读者在对直流变换器选型或者设计新型直流变换器时参考。