Design Criterion for Interleaving and Magnetically Integrated Bidirectional DC/DC Converters

双向DC/DC变换器中大功率储能电感的设计是一件困难而具有挑战性的工作,提出研究双向DC/DC变换器的交错并联磁集成理论以克服这一困难。将三相Buck＋Boost双向DC/DC变换器的所有相电感集成为一个耦合电感,对磁集成后变换器运行在Buck模式下的稳态电流纹波和暂态响应速度进行深入研究,给出三相Buck＋Boost交错并联磁集成双向DC/DC变换器运行在Buck模式下的设计准则,即在设计这种变换器时,应根据占空比的大小及稳态相电流纹波和暂态总输出电流响应速度的技术要求,利用该文所给出的设计公式和设计区域选择磁集成耦合电感的反向耦合系数。仿真和实验验证了理论分析的正确性。

模块化高压大容量DC/DC变换器综述

随着新能源发电占比增加和电网规模的不断扩大,直流输电系统的容量不断提升,含有不同电压等级的直流电网是未来发展的必然趋势。在此背景下,DC/DC变换器作为直流电网关键设备,在多电压等级互联场景中发挥着重要作用。文中首先对已有的模块化高压大容量DC/DC变换器进行归纳、分类和比较,然后阐述了目前模块化高压大容量DC/DC变换器的拓扑结构、工作原理与特点,并针对其特点提出了不同变换器的适用场景,最后对未来的研究方向提出了建议。

固态变压器中隔离双向DC/DC变换器扩展移相下虚拟电流控制策略

该文以固态变压器后级隔离双向DC/DC变换器为重点研究对象,提出一种扩展移相下虚拟电流控制策略。通过分析后级变换器在扩展移相传输功率下相移量关系以获得最小电流应力最优解来提高变换器的传输效率,减少器件损耗。同时通过虚拟电流控制思想在线估算传输功率来提高系统动态响应性能,减少电流传感器使用。最后,对该文所提出的扩展移相下虚拟电流控制与扩展移相控制进行实验对比分析,验证了扩展移相下虚拟电流控制策略具有降低电流应力,显著提高变换器的动态响应的优点。

一种交叉倍压型高增益DC/DC变换器

针对光伏发电、燃料电池发电等领域对高增益直流变换器的需求,以两相交错并联升压变换器为研究对象,由2个含有电感的倍压单元组合设计出实现电压提升的交叉倍压结构,据此提出了一种新颖的交叉倍压型高增益DC/DC变换器。该变换器可实现(3n+4)/(1-d)倍的高电压增益(1∶n为耦合电感匝数比,d为变换器占空比),且具有电路器件的低电压应力特性。对于漏感引起的开关管电压尖峰问题,引入了钳位电容构成释放漏感能量通道,同时提升了输出电压。介绍了新型交叉倍压型高增益变换器的拓扑结构,分析了变换器各模态的工作过程,推导了电压增益、输入电流纹波及各器件电压应力等稳态特性,并搭建样机进行实验研究,验证了该直流变换技术方案的可行性和先进性。

单级三相谐波电流注入可升降压AC/DC变换器

为适应电动车充电电压宽范围变化需求,本文针对传统充电桩前级整流器拓扑开展研究,提出一种新式单级三相AC/DC变换器。该变换器集成了三相桥式不控整流电路与Cuk模块,为降低输入侧电流谐波分量,选用双向开关管构建谐波电流回馈通路,整体构造成单级式拓扑结构。文章阐述了变换器的电路结构及工作模态,通过建立变换器的等效模型推导出电压增益。变换器通过简单的控制逻辑即可实现正弦输入电流并拥有高功率因数。最后通过搭建变换器数字控制实验平台验证了所提变换器的可行性。

基于时变权重模型预测的双向DC-DC优化控制方法

双向DC-DC变换器是电动汽车的关键电压变换部件,提高其动态负载下的响应速度与鲁棒性对电动汽车低压供电系统有重要意义。提出一种基于模糊时变权重的MPC(model predictive control)控制方法。基于状态空间平均法建立变换器动态模型。基于MPC原理搭建变换器MPC模型,实现对电压的跟踪控制;在分析权重对动态负载下电压跟踪性能的影响的基础上,设计权重模糊调节器,实现权重的在线调节。基于HM-cSPACE搭建实验平台验证所提方法的准确性。在Matlab/Simulink环境下与PI控制和传统MPC控制进行对比,结果表明:在负载变化时采用时变权重MPC控制的变换器有更好的动态性能和鲁棒性,超调量降低26.1%。该方法对提高双向DC-DC变换器动态负载下的优化控制具有重要意义。

基于回流功率优化的直流微网DC-DC变流器超螺旋滑模控制

针对直流微网系统中双有源桥直流变换器在系统发生扰动时动态特性差及在单移相调制下变换器效率不高等问题,该文在扩展移相调制下提出一种结合回流功率优化的超螺旋滑模控制策略。首先,分析双有源全桥(dual-active-bridge,DAB)变换器在扩展移相调制下两种模式的传输功率、回流功率数学模型及软开关特性,并以传输功率数学模型为基础建立DAB变换器的降阶模型。其次,以回流功率作为目标函数,以传输功率和软开关特性作为约束条件,通过Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件法寻找最优移相比组合;利用DAB变换器降阶模型设计超螺旋滑模控制中的等效部分,采用超螺旋算法作为切换部分,这两部分与内移相比D1共同作用生成外移相比D2,用于调节变换器的输出电压。最后进行了仿真及实验验证,实验结果表明:在负载投切、输入电压突变、参考电压改变时变换器具有良好的动态性能,同时能有效地减小回流功率。

基于移相控制统一模型的双有源桥DC-DC变换器基波环流优化控制策略

为充分利用双有源桥DC-DC变换器的容量,减小无功功率,提升工作效率,提出一种基于变换器移相控制统一模型的基波环流优化控制策略。通过引入基波移相比对变换器的所有移相控制方式进行统一描述,并采用傅里叶分解法建立全桥交流电压及电感电流的统一模型。该统一模型降低了多控制变量下变换器多模态分析的复杂性,适用于不同移相控制的所有工作模式,具有普适性。基于频域分析法和功率因数角,构建变换器传输功率及无功功率的统一数学模型。在此基础上,提出考虑无功基波分量的环流优化控制策略,并对传导损耗进行建模与分析。该策略简单有效,能够很好地减小变换器无功功率和改善系统效率,更有利于工程实际的应用。搭建了实验平台,对比了所提基波环流优化控制策略与传统移相控制方式下变换器的功率因数及变换效率,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的可行性。

一种可拓展双输入高增益DC/DC变换器

针对光伏发电系统中光伏电池板集成汇流的需求,提出了一种可拓展双输入高增益DC/DC变换器。该变换器采用了一种新型拓扑结构,可在实现输入输出电压高增益变换的同时降低了开关器件的电压应力。此外,所提变换器还具有可拓展性,可以根据不同的光伏电池板数量和输出电压要求对端口进行扩展,从而降低系统的复杂性和成本。首先详细介绍了所提变换器的拓扑结构,并推导出变换器在不同工作模态下的运行原理。然后,对该变换器的增益特性、开关器件的电压和电流应力、关键器件的参数选择和损耗计算等方面进行了深入的理论分析。最后,搭建了一台输出功率为1 kW的实验样机,并进行了实验测试。实验结果验证了所提变换器理论分析的正确性和可行性。

基于MPC的耦合电感飞跨电容双向DC/DC变换器功率均衡解耦控制策略

耦合电感功率变换器因耦合电感阻抗、电感值等参数差异易导致功率不均衡。针对耦合电感飞跨电容双向DC/DC变换器,提出一种基于模型预测控制(MPC)的功率均衡解耦控制策略。通过对变换器原理进行分析,建立基于电感电流解耦的数学模型,得到包括电感电流和飞跨电容电压等6个控制变量的解耦控制方法。在此基础上,提出基于MPC的功率均衡解耦控制策略。同时,为降低MPC算法的运算负荷,根据解耦控制模型重构模型预测价值函数,实现各控制变量独立动态寻优,使系统能在稳定控制输出电压及飞跨电容电压的同时,实现两相耦合电感的功率均衡控制。最后,通过理论分析及实验对所提策略进行有效验证。

基于改进LSTM-SVM的双向DC-DC电力变换器故障诊断

目的为了解决双向DC-DC电力变换器的软故障诊断精度不高的问题,方法提出基于改进LSTM-SVM的双向DC-DC电力变换器故障诊断模型。首先,分析双向DC-DC电力变换器中电容、电感和MOSFET管的故障机理,通过仿真实验模拟各元件失效后变换器的输出电气参数变化,从而确定变换器不同元件故障时对应的故障特征参数;其次,构建改进的LSTM-SVM双向DC-DC电力变换器故障诊断组合模型,在LSTM中添加Mogrifier门机制,提高LSTM提取时间序列原始数据中微弱特征的能力;最后,由于传统LSTM的末端分类器为Softmax,其主要解决单一元件诊断问题,变换器故障类型较多,维数较高,所以采用麻雀搜索算法优化的SVM代替原有的Softmax函数,对LSTM输出的数据进行故障分类,提高故障诊断的准确率。设置双向DC-DC电力变换器充放电两种状态下,包含电解电容、电感和MOSFET单双管故障在内的24组故障,分别采用本文构建的改进的LSTM-SVM和原始的LSTM-SVM双向DC-DC变换器故障诊断模型进行诊断。结果结果表明,改进的LSTM-SVM故障诊断模型诊断准确率平均值为99.71%,原始的LSTM-SVM故障诊断模型诊断准确率平均值为88.48%,改进的LSTM-SVM故障诊断模型对各元件的故障诊断正确率均高于原始的LSTM-SVM故障诊断模型的。结论基于改进LSTM-SVM的双向DC-DC电力变换器故障诊断模型实现了对双向DC-DC电力变换器中的电解电容、电感和MOSFET单双管故障的准确诊断。

基于DCS-惯性权重组合的柔性机械臂运动轨迹控制系统研究

为了有效调控机械臂运动幅度,避免柔性机械臂实际运动轨迹与目标轨迹发生较大的偏差,设计一种基于分散控制系统(DCS)-惯性权重组合的柔性机械臂运动轨迹控制系统,它是一个集合了计算机、通信、显示和控制的计算机系统,该系统由过程控制和过程监控。通过DCS算法控制监测对象行为幅度并计算柔性机械臂惯性权重,利用DCS-惯性权重组合求解素数控制指标的具体数值,实现了对柔性机械臂运动轨迹控制系统的软件设计。实验结果表明,DCS-惯性权重组合算法作用下的机械臂末端坐标在横轴、纵轴、空间轴方向上的运动幅值均可以被控制在10个单位长度之内,并且在0.52 s内进入机械臂运动轨迹最佳控制状态,运动轨迹差值最大仅为0.01 rad,验证了该系统具备可行性和有效性。

DCS控制器中电表接触传感器计量误差检测方法

由于DCS控制器中电表传感器在计量检测过程中,传统的B-MAC-DCS协议能耗和丢包率较高,无法缓解汇聚节点的漏斗效应,导致在远程抄表过程中传感器计量误差增大。提出一种机械电表接触传感器计量误差检测方法。采用小波基函数对DCS控制器中的接触传感器计量数据抗干扰处理,并通过动态选取阈值的方法,对经过小波变换后的数据去除噪声。使用低功耗自适应集簇分层型(low energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)协议分簇代替传统的B-MAC协议;根据簇内监测值,引入阈值分析方法获取传感器计量指标,并将其作为判定依据进行误差检测,根据计量指标的变化情况判断是否存在计量误差。实验结果表明,所提方法可以准确且有效检测出机械电表接触传感器计量误差,解决DCS中机械电表的运行隐患问题。

基于限流电抗器两侧特定频段暂态能量比的MTDC电网单端量保护方案

柔性直流输电技术有利于未来大量分布式能源接入电网,而配置快速、可靠的保护方案是柔性直流技术发展的关键。基于直流电网等效模型,提出一种基于限流电抗器两侧电压特定频段暂态能量比差异性的单端量故障区域识别方法。该方法依据贝瑞隆等效模型计算出限流电抗器两侧电压比,通过广义S变换提取限流电抗器两侧特定频段电压,根据故障时正负极限流电抗器的电压幅值差的差异性实现故障选极。最后在PSCAD/EMTDC平台搭建仿真模型,分析出发生区内外故障时差异性明显,具备较强的耐过渡电阻与抗噪声干扰能力。

基于准Z源的高增益DC-DC变换器拓扑研究

为了解决传统的DC-DC升压电路电压增益较低,以及光伏发电、风力发电等新能源输出电压低且不稳定,从而影响后级逆变等操作的问题,将准Z源网络与高增益DC-DC拓扑相结合,提出一种基于准Z源的非隔离型高增益DC-DC变换器拓扑;充分利用准Z源网络的高电压增益特性,有效解决DC-DC拓扑在升压方面的不足;为了深入研究变换器的性能,对其在连续导通模式下的拓扑结构、工作原理进行详细分析;同时基于状态空间平均法,建立变换器的小信号模型,并推导其开环传递函数。通过与其他新型拓扑的性能对比,得到该变换器不仅显著提高了电压增益,同时具有较低的开关电压应力。最后搭建仿真及实验平台来验证拓扑理论分析的正确性。

基于单边调制映射函数的LCC-HVDC直流侧阻抗精确建模

阻抗模型是电网换相换流器型高压直流输电系统小信号稳定性分析的重要基础,阻抗模型的准确程度直接影响系统小扰动稳定性分析。该文首先从同步触发原理出发,引入基于单边调制产生的映射函数,该函数蕴含控制及换相信息,可以准确建立换相/非换相期间交直流侧的映射关系;其次,考虑换相动态并通过谐波线性化和傅里叶变换建立完整的直流侧电压和交流侧电流的频域小信号动态模型;再次,考虑控制和换流阀阻尼回路,建立整流侧和逆变侧直流阻抗解析模型;最后,以CIGRE高压直流标准测试模型为例,基于PSCAD/EMTDC平台验证了直流侧阻抗模型的准确性及其用于小扰动稳定性分析的有效性。

LB/M复相热处理工艺对冷作模具钢DC53组织和力学性能的影响

本文研究了不同预淬火温度的QTA(Quenching-Tempering-Austempering)复相热处理工艺(Q为1030℃,30 min;T为520℃,2 h;A为250℃,3 h)对冷作模具钢DC53的微观组织和力学性能及摩擦磨损性能的影响,并与常规淬火-回火(Quenching-Tempering,QT)热处理工艺(Q为1030℃,30 min;T为520℃,2 h)进行对比。结果表明,QT工艺得到的组织以回火马氏体为主;QTA工艺可以得到下贝氏体/马氏体(Lower Bainite/Martensite,LB/M)为主的复相组织,这些复相对原奥氏体晶粒的分割产生的细晶强化作用部分抵消了LB和残余奥氏体(A_(R))的弱化作用,并且,这些复杂的微观组织极大提升了DC53钢的冲击韧性;当QTA的预淬温度为100℃时,其硬度仅比QT工艺低1.4HRC,但是冲击吸收能量却是QT工艺的2.44倍。因此,优化的QTA工艺可以得到较高的强韧综合性能。

虚拟I/O模块在DCS以太网通信接口模块上的实现

为减少硬件模块的重复开发,在保留原DCS软硬件系统架构不变的基础上,在以太网通信接口模块硬件上虚拟不同的I/O模块。虚拟I/O模块与硬点I/O模块具有一致的输入、输出及参数属性,且组态方式和产物格式一致。同一以太网通信模块上可在不同的虚拟I/O槽位上配置不同的虚拟I/O模块,如Modbus TCP虚拟I/O模块和GOOSE虚拟I/O模块,进而在同一硬件实现不同的通信功能。虚拟I/O模块的使用一方面减少了DCS系统硬件模块的种类,简化备品备件,另一方面也提高了通信扩展的灵活性和便利性。

三电平混合全桥DC-DC变换器回流功率优化控制

针对三电平混合全桥双向DC-DC变换器存在的回流功率较大的问题,本文以回流功率最小化为目标,提出了一种基于双重移相控制的回流功率优化控制策略。首先,建立了三电平混合全桥DC-DC变换器的数学模型,分析了变换器回流功率和传输功率的特性关系;然后,以回流功率作为目标函数,通过KKT条件法将不同模式的等式和不等式约束条件转换为约束函数,并构建拉格朗日多项式函数求最佳移相比组合;最后,为提高系统动态响应的快速性,采用了环内直接功率控制方法,实现了变换器在面对突发情况时系统能迅速实现动态响应。仿真结果表明,在输入电压和负载突变时,本文提出的改进优化控制策略可以有效减小回流功率,提高系统的动态响应性能。

三有源桥DC-DC变换器广义状态空间平均模型及控制策略研究

基于移相加占空比控制策略的三有源桥TAB(triple active bridge)DC-DC变换器具有效率高和软开关范围可扩展等优点,但其小信号建模过程复杂、闭环控制环路参数整定困难。针对该问题,提出1种TAB工作在移相加占空比控制下的全阶连续广义状态平均建模和PI控制器设计方法。首先,分析TAB的运行原理和Y型等效结构;然后,结合移相加占空比控制的特点和交流方波源等效方法,推导出TAB的广义状态空间平均模型;接着,在推得模型的基础上求得输入到输出的传递函数,设计出PI控制器参数。最后,结合数字仿真及样机实验验证了所提方法的正确性及有效性。