带恒功率负载多电平Buck变换器逆解耦自适应滑模控制

针对带恒功率负载(CPL)多电平Buck变换器的强耦合问题及负阻抗特性引起的不稳定问题,提出一种逆解耦自适应滑模控制策略。建立带CPL多电平Buck变换器的非线性数学模型,基于逆系统方法证明系统的可逆性,并推导逆系统表达式,将模型线性化解耦为多个伪线性子系统,抵消负阻抗特性的影响。通过选取线性滑模面和指数趋近律以减弱滑模抖振,并将自适应机制引入到滑模控制中,进而为线性子系统分别设计自适应滑模控制器,进一步提高系统控制性能。基于李雅普诺夫理论对控制系统的稳定性和鲁棒性进行验证。与现有控制方法进行比较,仿真结果表明,所提控制策略具有更强的鲁棒性和优越性。最后,搭建原理样机进行实验对比,实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

脉冲恒功率负载直流系统的切换稳定性分析

带脉冲恒功率负载的直流供电系统(DC power supply system with pulse constant power load,PCPL-DCPS)运行过程随脉冲参数的变化包含多种不同运行状态。目前电力系统单模态大信号稳定性分析方法无法适用于中高频状态脉冲负载的稳定性分析。为此,提出了一种结合切换理论和混合势函数法的统一大信号稳定性分析方法。该方法以快慢切换驻留时间为界,划分了切换系统快慢切换稳定域,并以满足不同驻留时间为条件,提出不同域的大信号稳定性分析原则。以PCPL-DCPS为研究对象进行仿真试验,对比单模态稳定性判据和渐进稳定域域界,验证了快慢切换稳定域界划分和分析方法更合理,并进一步将切换系统稳定性与脉冲频率关联,得到了更为统一和直观的表达式。所述方法适用于全时段的切换电力系统,也可扩展应用到带脉冲负载的交流供电系统的稳定性研究中,进一步指导脉冲负载的峰值功率、脉冲频率等参数的选取。

含恒功率负载的交直流混联配电系统稳定性分析

交直流混联配电系统的稳定性分析方法是评价系统能否安全稳定运行的关键技术。传统稳定性分析方法通常以直流级联系统和直流微电网作为研究对象,而对于含恒功率负载的交直流混联配电系统稳定性分析和评价较少涉及。基于这一问题,提出了适用于交直流混联配电系统的阻抗匹配稳定性分析方法,建立了柔性互联装置、光伏发电单元、恒功率负载以及?型线路的状态空间小信号模型。在多端柔性互联装置采用主从和下垂控制情况下构建了交直流混联配电系统的戴维南等效电路,利用奈奎斯特稳定判据确定了负阻抗稳定边界,并且采用Simulink仿真工具搭建了详细物理模型,通过仿真结果和奈奎斯特曲线对比分析验证了所提稳定性分析方法的可行性。

Boost变换器带恒功率负载状态反馈精确线性化与最优跟踪控制技术研究

分析了Boost变换器带恒功率负载的特性,推导出系统传递函数并得到系统稳定运行条件。采用状态反馈精确线性化技术对系统进行控制。根据Boost变换器带恒功率负载的特点,将最优跟踪技术应用于精确线性化控制中,得到系统非线性控制律。用SABER软件对得到的控制律进行了仿真。仿真结果表明:精确反馈线性化结合最优跟踪可以对Boost变换器带恒功率负载系统进行有效的控制,使系统具有理想的稳态特性和动态响应,在电源及负载大范围变化时,保证系统的稳定运行,满足不同类型负载的要求,具有大信号稳定特性。

抵消恒功率负载负阻抗特性影响的双向Buck/Boost变换器控制策略

对双向Buck/Boost变换器带恒功率负载时的稳定性问题进行了研究。首先对电机控制器的直流侧双向Buck/Boost变换器提出了一种功率前馈控制策略。分析了恒功率负载负阻抗特性不利于母线电压稳定的机理,对双向Buck/Boost变换器提出了一种反映直流母线电压变化趋势的前馈控制策略抵消了负阻抗特性对直流母线电压的影响。小信号模型分析、仿真和实验结果都证实了这种控制策略能够有效抵消恒功率负载负阻抗特性对母线电压稳定性的影响,有利于提高驱动系统稳定范围。

DC-DC变流器带恒功率负载动态响应分析及级联系统稳定性预测

分布式多变流器模块系统广泛应用于航空航天、通信以及舰船的直流分布式电源系统中。尽管每一个标准模块都能稳定可靠运行,但由于模块间复杂的相互作用,系统还是会出现不稳定的情况。目前级联系统小信号稳定性已经得到了较为深入的研究,但大信号级联稳定性问题尚缺乏系统研究。本文在将后级变流器等效为恒功率负载的基础上,定量分析了前级变流器电路参数对系统稳定性的影响,给出了前级变流器电路参数的设计准则,并推导出保证前级变流器稳定工作的情况下所能承担的最大恒功率负载值。该结论可以为级联系统前、后级模块的匹配提供依据,确保模块级联后可以稳定工作,节省了选择模块时反复验证的计算过程,大大提高了设计效率。

带恒功率负载的DC／DC变换器起动过程分析

以平均电流控制Buck变换器为研究对象,基于平均大信号模型,借助相平面法,对恒功率负载以及阻性负载的起动过程进行比较,分析了两种情形下的起动过程,揭示了变换器带恒功率负载起动过程存在两种类型:正常起动与限流工作状态,通过提高电流限流点可以确保系统集成后起动性能不受影响。仿真与实验结果验证了理论的正确性。

带恒功率负载的DC/DC变换器阶跃响应过程分析

由于恒功率负载负阻抗输入特性,Buck直直变换器带恒功率负载与阻性负载阶跃负载响应过程不同,且带恒功率负载时不能保证系统性能不受影响。并基于平均大信号模型,借助相平面法,针对恒功率负载以及阻性负载,详细分析了平均电流控制Buck变换器两种情形下的阶跃响应动态过程。分析表明,变换器带恒功率负载阶跃响应过程存在2类4种类型。通过限制阶跃负载所导致的电压跌落的大小可以确保变换器级联后阶跃负载动态性能不受影响。具体可以通过增大源变换器电感电流限流值及提高其电流环带宽实现。实验结果验证了理论分析的正确性。

具有阻尼滤波器的恒功率负载系统在大扰动下的稳定性

现代飞机供电系统的变换器负载和电动机负载不断增加,这种负载因内部闭环控制而呈现恒功率特性,即负阻抗特性,这对系统稳定性提出挑战。本文提出加入参数恰当的阻尼滤波器以增强恒功率负载系统的稳定性,并基于混合势函数理论建立了4种结构的阻尼滤波器与恒功率负载组合系统的数学模型,分别推导得到了系统大扰动条件下的稳定性判据。该判据是在考虑恒功率负载负阻抗大小的基础上,给出了阻尼滤波器元件参数的约束条件。最后对大扰动判据进行了实验验证。

同步发电机带恒功率负载稳定性分析

针对同步发电机带恒功率负载的系统稳定性问题进行了研究.说明了交流恒功率负载和直流恒功率负载的不同,给出了交流恒功率负载的小信号模型;在忽略阻尼绕组和电枢绕组中诸变压器电势的前提下,推导了同步发电机带恒功率负载系统的小信号传递函数,在此基础上得到系统的稳定工作条件;推导出同步发电机带恒功率负载系统精确状态空间方程,并利用Matlab绘制出不同负载情况下系统的稳定工作区域.得出结论:恒功率负载会导致同步发电机系统运行不稳定,提高系统输出电压和在一定范围内增加输出滤波电容值都可以使系统稳定性得到有效改善.

具有双级LC滤波器的恒功率负载系统在大扰动下的稳定性

现代军用多电飞机270 V直流供电系统中的功率电子负载和电动机负载不断增加,这种负载因内部闭环控制而呈现恒功率的特性,即呈现出负阻抗特性,该特性与滤波元件间的相互作用会严重危害系统的稳定性。研究具有双级LC滤波器的恒功率负载系统的稳定性,建立基于混合势函数理论的数学模型,推导得到系统在大扰动条件下的稳定性判据。该判据是在考虑恒功率负载负阻抗大小的基础上,给出了滤波器元件参数的约束条件。分析及实验结果表明,该判据能够保障系统在大扰动下的稳定性,且结构简单,便于应用。

恒功率负载下DC-DC双向变换器分岔现象研究

研究了基于多级功率变换器下的直流微网结构,提出恒功率负载研究方法,建立了直流微网简化模型;根据简化模型,建立了DC-DC双向变换器在不连续运行模式下的离散映射,给出了系统稳定运行状态下迭代方程和反馈系数的计算公式;根据迭代方程得出电压与反馈系数的分岔波形图。电路仿真和实验结果表明,随着反馈系数的增大,系统将从稳定状态到分岔状态并逐渐过渡到混沌状态。

带恒功率负载Buck变换器的模型预测控制

针对含恒功率负载(Constant Power Load,CPL)的Buck DC-DC变换器稳定性和负荷不确定性问题,提出一种含高阶滑模观测器的模型预测(Model Predictive Control,MPC)控制策略.首先,根据MPC理论,构建Buck变换器的目标函数,建立滚动优化跟踪方程并求解最优控制律.其次,构建高阶滑模观测器,提高电压的控制精度并消除抖振及相对阶问题.最后,对其进行小扰动的稳定性分析,建立源、负载侧的等效模型.在CPL与阻性负载投切较为频繁时,与传统双闭环PI调节和MPC控制进行比较,仿真结果表明:在负载变化时,基于高阶滑模观测器的MPC控制具有良好的动态性和鲁棒性且能对母线电压进行精确跟踪与控制.

BOOST变换器恒功率负载时动态性能分析

以恒功率负载时双闭环控制的 BOOST变换器为例 ,基于相平面法 ,分析了变换器开环运行模式下的稳定性问题 ;基于平均大信号模型 ,分析了变换器过载运行模式下的动态响应过程。分析表明 ,恒功率负载时 ,变换器开环运行可能自激振荡 ,并给出判别是否产生自激振荡的方法 ,说明小滤波电感和大滤波电容有利于避免自激振荡 ,从而为变换器主电路参数的优化设计提供依据。过载运行时 ,变换器最终进入开环运行模式 ,稳定性能与开环运行模式下相同。实验结果验证了理论分析的正确性。

DC-DC变换器在恒功率负载下的能控性

带有恒功率负载的DC-DC变换器是切换非线性系统.以Boost变换器为例,本文建立了其切换系统模型;它包括三个模态.模态I,II,III分别对应于开关器件导通、关断、电感电流断续时的电路拓扑.因为电容电压是非负的,所以本文对平面拓扑学的最新结果加以修正,导出了半平面仿射非线性系统全局能控的充分必要条件——判别函数在任意非零控制曲线上变号.据此证明了模态II的全局能控性.由于模态II为运转中的必经阶段,故切换系统能控.研究方法也适用于Buck等变换器的能控性分析.

基于交流恒功率负载特性的交直流混合微电网系统大信号稳定性判据

交直流混合微电网系统中,大量电动机负载和变换器负载由受闭环控制的电力电子设备连接交流母线,具有负阻抗特性,可视为交流恒功率负载。这些负载在大扰动情况下类似正反馈,会增强扰动信号,降低系统稳定性,严重时甚至导致整个微电网系统无法正常工作。另一方面,储能单元是系统的惯性环节,合理控制可增强系统稳定性。为了保障并网运行的交直流混合微电网系统大信号稳定性,文中应用混合势函数方法提出储能单元互联变流器稳定控制策略,补偿交流恒功率负载的动态性能。首先,根据abc-dq坐标变换,分别得到交直流混合微电网系统在储能单元充放电状态的简化模型;接着,分别建立系统的混合势函数模型;最后应用第3稳定性定理,分别推导得到储能单元不同工作模式下的大信号稳定性判据。判据给出了滤波参数、交流恒功率负载功率、储能单元充放电功率、储能单元AC/DC变流器电流内环比例环节系数、电压外环比例环节系数的稳定限制条件。实验结果验证了所提大信号稳定性判据的正确性。

级联恒功率负载情况下三相并网PWM整流器基于TS模糊模型的稳定性分析

恒功率负载(constant power loads, CPL)的负阻抗特性是引起前端独立运行能够稳定的变换器带负载时却失去稳定的主要原因,由于电路状态方程的非线性,难以得到状态变量的时域解来判断系统稳定性。基于小信号线性化、以特征根的分布来评估系统稳定性的方法,需要在平衡点处线性化并以数值方法求解特征根,且无法描述出大信号扰动时的渐近稳定范围。针对并网型三电平整流器直接带恒功率负载和以LC滤波器连接恒功率负载的2种系统,使用Takagi-Sugeno(TS)模糊推理模型方法建立考虑主电路参数和控制器参数的全阶模型,以线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)的半正定规划是否能够求解作为系统稳定判据,从而能够分析系统参数与稳定区间之间的关系。同时构造的Lyapunov备选函数能够绘制出稳定吸引域(stability domain of attraction,DOA),实现大扰动情况下的稳定性分析。仿真和实验验证了该方法的有效性和实用性。

机载供电系统带恒功率负载稳定性

恒功率负载具有负阻抗输入特性。当机载供电系统与其负载参数不匹配时,在一定工况下,该特性会使得系统出现低频振荡的问题,严重时甚至会导致整个系统发散。为缓解系统的低频振荡,建立了机载供电系统带恒功率负载的等效电路模型,推导出系统传递函数并得到系统稳定运行的条件。最后从被动阻尼策略入手,采用了一个系统化的解决方案,大大提高了系统的稳定性和带负载的能力。仿真与试验均表明了理论分析的正确性。

基于虚拟阻尼补偿的恒功率负载系统控制方法

电动机负载广泛存在于各个工业领域,其闭环控制对前级功率系统表现为恒功率负载(constant power loads,CPL)特性,即负阻抗特性,给系统带来了稳定性的影响。针对基于前置BUCK变换器的电动机驱动系统稳定性问题进行了研究。首先对基于前置BUCK变换器的电机驱动系统进行了建模,分析了影响系统稳定性的机理,在此基础上提出了一种基于虚拟阻尼补偿的控制策略,这种方法可以在不增加系统损耗的前提下有效抑制负阻抗特性对直流母线电压的影响,并给出了补偿系数的设计流程。仿真和实验证明这种方法提高了系统稳定性,增加了电机驱动系统稳定带载的能力。

考虑恒功率负载与储能单元动态特性的直流微电网系统大信号稳定性分析

直流微电网系统中的负载由闭环控制的变换器连接到母线,通常可视为恒功率负载(CPLs)。恒功率负载在电压变化时呈现负阻抗特性,极易引起系统的不稳定,因此对直流微电网进行大信号稳定性分析是非常必要的。对直流微电网系统进行大信号稳定性分析,同时考虑了恒功率负载的负阻抗特性以及储能单元充放电特性对系统稳定性的影响,应用 Brayton-Moser 提出的混合势函数理论进行稳定性建模,得到大信号稳定性判据。该判据定量描述了母线电压、恒功率负载的功率、储能单元充放电功率等参数与系统大信号稳定性之间的关系。结构简单、便于应用,为保障直流微电网的安全稳定运行提供了重要设计依据。仿真和实验结果表明,在大扰动条件下,满足该判据的系统可以保持稳定运行。