双有源桥变换器双移相控制动态特性优化方法

为了提高双移相控制的双有源桥DAB(dual active bridge)变换器负载切换的动态响应性能及减小电流应力,研究了1种改进型双移相NDPS(novel dual phase shift)控制方法,通过改变传统双移相TDPS(traditional dual phase shift)控制内移相角移动方向,重构了传输功率与移相比的关系,增大了移相比调节范围。研究了电流应力最小化条件下双移相控制最优移相比的求解方法,对比分析NDPS与TDPS控制方式负载切换时的动态响应特性。最后搭建了DAB变换器实验平台对理论分析进行实验验证,实验结果表明,轻载条件下,基于电流应力最小化方法得到的最优移相比组合可以有效减小电流应力,同时NDPS比TDPS控制方式有更好的动态响应特性。

双重移相控制下双有源桥变换器最小回流功率全局优化控制

双有源桥(dual-active-bridge,DAB)DC-DC变换器通常用于能量转换。然而,传统的单移相控制使得变换器在输入电压和输出电压不匹配时产生较大的回流功率,特别是轻载情况下该现象更为严重。现有基于双重移相控制(dualphase-shift,DPS)的回流功率优化策略,尚未考虑全功率范围内的回流功率,也缺乏对所有工作模式下最小回流功率的研究。为此,该文提出一种考虑全功率范围、全工作模式的DPS最优控制策略。首先,详细阐述回流功率产生的机理,建立了不同工作模式的传输功率和回流功率数学模型。然后,计及不同工作模式的功率限值,将DPS控制的传输功率分成不同的功率区。在此基础上,提出了一种基于最小回流功率的DPS最优控制策略,通过分析不同工作模式下的优化路径获得各个功率区的最优移相角,进而提升DAB变换器的传输效率。最后,搭建实验平台验证所提最小回流功率控制策略的可行性。

基于序列二次规划算法的双有源桥变换器优化控制策略

针对双有源桥变换器在充电领域电路损耗大、传输效率低的问题,提出一种结合序列二次规划算法与双重移相控制实现回流功率优化的控制策略。首先,建立双有源桥变换器在双重移相控制时以回流功率最小值为目标函数的二次规划问题数学模型;然后,提出一种采用序列二次规划算法求解上述多约束、非线性的数学模型,在算法中输入目标、约束函数的雅可比矩阵和变换器的相关参数,通过迭代求解出满足双有源桥电路在双重移相控制下最优工况的目标参数;最后,通过仿真验证所提控制策略的有效性。

基于等效励磁电感的SiC串联器件型中压双有源桥变换器的软开关技术

基于SiC串联器件的双有源桥变换器因具有开关损耗小、功率密度高、能量控制简单等优势,有望成为中压变换场景中实现高频隔离的优选方案。为保证SiC串联器件的可靠均压,各器件上并联大容值缓冲电容,然而该设计使变换器在传输功率较低时难以实现零电压开通,严重影响变换器的整体效率和串联器件的可靠运行。该文通过构建SiC串联器件型中压双有源桥变换器多模态运行模型并深入分析其运行特性,提出一种基于等效励磁电感的无源软开关技术。所提技术可通过优化外接传输电感位置的方式实现中压侧等效励磁电感参数调节,从而在无额外控制前提下实现SiC串联器件的软开关范围扩展。最后,设计了4 kV/1 kV实验样机,实现了100 kW下运行。实验结果显示,所提出的软开关技术能显著地扩展变换器中SiC串联器件的软开关范围,在保证SiC串联器件均压稳定性的同时能够大幅降低变换器在轻载运行时的功耗。

双有源桥变换器拓扑结构与控制策略研究综述

针对功率双向传输系统中的核心—双有源桥DAB(dual-active-bridge)变换器,首先对其基本原理与拓扑结构进行概述;然后,介绍了DAB变换器单移相、双重移相、拓展移相与三重移相这4种基本调制策略;进一步地,对基于这4种调制策略的控制优化建模、优化实现进行了对比分析;最后,对DAB变换器在实际应用中所面临的问题与解决方案进行了探讨。随着直流配电、储能、分布式能源技术的进一步发展,DAB变换器将迎来广阔的应用前景。

基于指数趋近律的双有源桥变换器滑模控制策略

为提升双有源桥(DAB)变换器的动态性能,提出了一种基于指数趋近律的滑模控制策略。首先,通过降阶模型法推导出DAB变换器的数学模型作为等效部分;其次,选取指数趋近律作为切换部分,使两部分共同作用组合成滑模控制器,调节DAB变换器的输出电压;最后,利用Lyapunov稳定性理论证明了该控制方法的稳定性。仿真实验结果显示,设计的滑模控制器有效减小了抖振,对扰动的响应速度更快,比传统比例积分控制器具有更好的动态性能。

双有源桥变换器的最小电流应力变频控制

为了提高双有源桥DAB(dual-active-bridge)变换器的效率,提出1种变开关频率控制下的最小电流应力控制策略。首先,分析电压在宽范围变化时的最小电流应力优化控制方法,建立变换器在轻载条件下的导通损耗和开关损耗表达式,并对不同开关频率下的导通损耗和开关损耗进行比较;其次,详细介绍闭环控制的实现方法及各模式下的功率传输范围,轻载条件下所提方法可显著降低电流应力,从而提高DAB变换器的效率;最后,通过仿真和实验验证了所提控制方法的优越性。

基于模型前馈的双有源桥变换器优化控制

双有源桥直流变换器功能上是一个有效可靠的电压源,在输出负载变化的情况下提供快速的动态响应是非常重要的。为了提升变换器的稳定性和动态性能,提出一种基于模型前馈的优化控制策略。首先,推导了变换器的降阶平均模型并对模型的精度进行了验证;其次,通过变换器的小信号模型及传递函数分析了控制器参数对系统稳定性的影响;然后,采用模型前馈与反馈的控制方法对系统的动态性能进行优化,结果表明基于模型前馈的控制策略能有效提升负载变化时的动态响应速度;最后,通过仿真和实验验证了所提策略的有效性和可行性。

提高双有源桥变换器动态性能的预测电流模式控制

提出一种预测电流模式控制算法,以提高双有源桥变换器在负载切换时的动态性能。首先,分析了双有源桥变换器开关周期内的电压、电流波形,推导出预测方程,在下一控制周期立即根据预测方程更新控制量,使得电流响应带宽接近开关频率,因此提高输出电压动态响应速度。然后,推导了输出电流瞬时值和电感电流瞬时值的代数关系,使用输出电流代替受开关振荡影响的电感电流以提高抗噪声能力。其次,建立了双有源桥的降阶模型,推导了传统双极点双零点2P2Z(two-pole tow-zero)电压模式控制器并和所提算法进行比较。最后,通过仿真和多种工况的实验结果表明,相比2P2Z电压模式控制,所提算法降低了变换器闭环输出阻抗,使得电感电流能够在一个控制周期内快速响应,极大提高了输出电压在负载切换时的动态性能。

输入串联输出并联型三电平双有源桥变换器功率与电压平衡控制策略

针对三电平半桥型输入串联输出并联(ISOP)型双有源桥(DAB)变换器的各模块参数差异而导致的模块功率不均衡传输问题,该文首先分析多模块功率不平衡原因,然后提出基于三重移相(TPS)调制的串联侧功率平衡策略。针对ISOP系统多模块间参数差异问题,提出多模块参数差异估计方法,该方法无需增加额外的电流或电压传感器,通过注入强制分量作为扰动而采集反映模块差异的特征量变化,对控制量进行补偿实现多模块功率平衡。仿真和实验结果表明,在多种扰动条件下,所提功率平衡方法可实现样机串联侧均压,在输出电压24V工况和10~435W功率范围下,系统在所提控制策略下能明显提高串联侧的电压平衡,工作效率达到90%以上。

基于模型预测控制的双有源桥变换器动态性能优化

为了解决直流微电网中双有源桥(DAB)DC-DC变换器的动态响应性能不佳、能效低下以及稳定性差等问题,本文提出一种基于模型预测控制(MPC)策略的改进型DAB变换器。该策略通过构建输出电压的预测模型,并针对预测误差确立代价函数,旨在最小化下一控制周期的最优控制量,进而对双有源桥DC-DC变换器实施精准的建模与预测控制。在此基础上,针对电路参数敏感性问题,通过与预测模型相结合,对系统参数灵敏度进行优化。最后,利用MATLAB/Simulink对控制效果进行仿真模拟,并与常规闭环控制PID、PID+前馈控制进行比较,验证所提出算法的正确性与优势。

双有源桥变换器优化控制与实验平台设计

对双有源桥(DAB)变换器的扩展移相调制与三重移相调制进行了理论分析,构建电流及标幺化传输功率表达式。建立了在三重移相调制控制下DAB变换器的标幺化电流应力表达式以及在扩展移相调制控制下的标幺化回流功率表达式,分别求解出标幺化电流应力及回流功率最小时各移相角的解,并设计优化控制方案。介绍了DAB变换器实验平台的开关管选型、磁性元件设计、辅助电路设计,采样控制电路设计、软件程序设计方法,并搭建出DAB变换器实验平台。最后,在实验平台中验证电流应力与回流功率优化方案的可行性。

基于三重移相控制的双有源桥变换器研究

为了加快“碳中和”及“碳达峰”的进程,可再生能源逐渐取代了化石能源,成为了未来主要的发电方式。储能系统与双向变换器的组合成为了维持微网电压稳定、削峰填谷的核心组件。针对这一背景,对具有较强双向调节能力的双有源桥变换器展开研究。采用三重移相控制,详细分析了变换器在特定工作模式下的工作过程。此工作模式适用于轻载条件,具有双向能量传输的能力。建立了相应的电流应力、传输功率和软开关特性的数学模型。基于电流应力的变化情况,提出了一种基于三重移相控制的电流应力优化策略。以电流应力为目标函数,以软开关范围和模式边界为限制条件,求解得到了最优移相比组合。该优化控制策略可以在保证软开关运行条件下减小变换器的电流应力,提高变换器的性能。最后通过实验测试验证了理论分析的正确性。

一种输入串联输出并联双有源桥变换器输入电压自平衡结构

输入串联输出并联(inputseriesoutputparallel,ISOP)双有源桥(dualactivebridge,DAB)变换器的输入均压(input voltage sharing,IVS)主动控制策略存在控制系统复杂和传感器数量较多的问题。相反地,无源调控方法的控制系统简单,因而具有明显的优势。基于无源均压思想,提出一种适用于共占空比控制的基于耦合电容的ISOP-DAB变换器的输入电压自平衡拓扑结构,通过耦合电容使得子模块的高频链环节产生电气耦合,从而实现子模块输入电压的均衡。进一步,给出含有耦合电容的ISOP-DAB变换器的简化等效电路,并进行理论分析与推导,得到子模块输入母线电压偏差及耦合电容电流与变换器硬件参数的关系。理论计算表明该拓扑在子模块参数存在较大的偏差时仍然具有较好的IVS能力。最后,仿真和实验结果验证该拓扑的可行性和有效性。

直流微网中双有源桥变换器精确直接功率控制

在直流微网中,针对双有源桥(dual active bridge, DAB)变换器及其相连的储能系统的功率流动问题提出了精确直接功率控制(accurate direct power control, ADPC)方法。该控制方法实现了DAB变换器两侧的恒定功率传输,具有精度高、动态响应快、稳定性好,克服了传统直接功率控制(direct power control, DPC)对于系统参数的依赖的局限性。最后基于MATLAB/Simulink仿真工具箱和实物实验平台进行验证,通过与传统功率PI控制方法进行对比,仿真和实验结果表明:在功率指令值突变、负载突变、输入电压波动的情况下,该ADPC方法能有效提高输出功率的动态性能,减小输入电压扰动对输出功率的影响,且对系统参数无依赖性,提高了控制方法的兼容性和可移植性。该方法在直流供电网络的电能调度控制领域有广泛的应用前景。

基于冗余矢量的中点箝位型三电平双有源桥变换器的电容电压平衡策略

中点箝位型(NPC)三电平双有源桥(DAB)变换器相对传统DAB变换器可以实现更高的电压等级和更宽的运行范围,具有广阔应用前景;但NPC型DAB变换器存在电容器电压不平衡的问题,影响变换器的运行性能。文章针对NPC型DAB变换器进行了三自由度控制策略的功率传输特性分析,并根据功率传输特性实现了对其功率传输的有效控制。对于其电容电压不平衡问题,文章提出了一种基于冗余矢量的电容电压平衡策略,相对于传统的电容电压平衡策略,该平衡策略可以在不影响传输功率的基础上实现更快的电容电压平衡。仿真结果表明,文章所提控制策略可使变换器在输出电压参考值改变时,电容器电压仍能很好地维持平衡状态,实现在仅有1%波动量的暂态情况下,在0.000 4 s内趋于稳定。

基于等面积法的双有源桥变换器控制策略

随着电池储能系统的不断发展,储能用双向直流变换器的规格与效率要求越来越高,双有源桥(DAB)变换器由于可以更好地胜任功率双向传输场合而备受欢迎。但其常规调制方式均有一定的缺陷,单移相调制方式在轻载时软开关特性丢失,效率低;双移相与三移相调制方式需要实时求解最小电感电流有效值对应的内外移相角组合,控制计算过程复杂,对主控制器要求高。这里综合考虑变换器常规调制方法存在的优缺点,提出一种基于等面积法的优化控制策略,根据电池电压灵活调整初、次级全桥占空比,有效降低电感电流有效值,拓宽软开关范围,提高变换器效率,且控制复杂度相较于双移相与三移相调制方式大幅减小。最后,搭建了额定功率为5 kW的实验样机,验证了所提控制策略的有效性。

基于线性扩张观测器的双有源桥变换器自抗扰控制

为改善双有源桥变换器(Dual Active Bridge,DAB)的动态响应和抗扰能力,提出一种基于线性扩张观测器(LESO)的双有源桥变换器自抗扰控制策略。首先,基于降阶模型法推导出双有源桥变换器的小信号传递函数;其次,通过设计线性扩张状态观测器(LESO)和线性状态误差反馈控制律(LSEF)来实时估计和补偿外部的干扰和内部的不确定性;最后,利用仿真实验验证了该控制器的可行性。实验结果显示,该控制器比传统PI控制器具有更佳的鲁棒性和自适应性,因此该控制器可用于控制变换器的直流母线输出电压。

基于电流最优控制的三相双有源桥变换器的器件可靠性分析

随着新能源电动汽车的普及,充电桩的建设尤为重要。三相双有源桥变换器具有能量双向流动、功率容量大等特点,是一种适用于双向充电桩中DC/DC变换器的拓扑结构。IGBT和二极管作为三相双有源桥变换器的核心元器件,研究元器件可靠度对提高变换器的可靠性有着一定的意义。基于电流应力最优控制策略,可降低三相双有源桥变换器的损耗,通过建立该控制策略下的三相双有源桥变换器的电热联合仿真模型,分析出了在变换器中易损易耗的元器件,提高易损易耗元器件的可靠度即提高变换器整体的可靠性,为三相双有源桥变换器在充电桩中的可靠性应用提供理论支撑。

面向新型电力系统的双有源桥变换器及其混合调制研究

新型电力系统以高比例的新能源并网为主,直流变压器作为其中重要的能量管理环节,需要具备更高的性能和转换效率。为了减小直流变压器的电流有效值并提升控制的灵活性,提出一种基于可调制耦合电感的组合式双有源桥变换器。该变换器通过调制脉宽调制信号来控制可调制耦合电感的等效感值,并无需额外的辅助电路。为了减小变换器的电流有效值,当变换器工作在轻载且电压不匹配时,可调制耦合电感控制成较大的等效电感;当变换器工作在重载时,可调制耦合电感控制成较小的等效电感。同时,基于可调制耦合电感的工作原理提出变换器的混合调制策略,并设计最小电流复合控制律。最后,通过试验对该拓扑进行验证,结果表明所提出方案的有效性。