开关电容有源箝位型多电平逆变器的多电压区间调制方法及电容电压控制策略

针对一种开关电容有源箝位型(switched-capacitor active-neutral-point-clamped,SC-ANPC)多电平逆变器的冗余开关状态数量不足,造成电容电压平衡困难的问题,提出一种适用于该拓扑结构的多电压区间调制方法及电容电压控制方法,解决了现有调制方法计算复杂及开关频率受限的问题。首先分析了逆变器的工作原理,根据逆变器开关状态,提出了三电平区间开关状态组合模型,并设计了满足开关电容电压静态平衡约束条件的多电压区间载波移相调制方法。由于满足静态平衡条件,开关电容电压体积和纹波得到了减少,并且开关管的载波之间只有简单的移相关系,工程实现简单。在此基础上,扩展到三相系统,建立了电容电压的纹波模型,提出了相应的电容电压控制方法,通过调节占空比实现开关电容电压控制,注入零序电压实现母线电容电压控制。通过仿真和实验验证所提调制方法、控制方法的可行性。

抑制共模电压的极简空间矢量控制

针对五电平有源中点箝位型(ANPC)变换器共模电压大的问题,提出一种抑制共模电压的极简空间矢量控制。首先将参考电压投影到线电压坐标系中,得到对应区域内的所有矢量,分析矢量与共模电压和中点电压之间的联系,然后以最小化共模电压为目标对矢量选择范围进行合理约束的同时,保证剩余矢量能对中点电压进行均衡控制。在此基础上,针对中点电压控制提出一种极简序列选择法,从而降低空间矢量调制策略的复杂度。最后对所提共模抑制算法的正确性和有效性进行了实验验证。

光伏电站一次调频控制策略研究

大规模光伏电站接入电力系统,降低了系统惯性和一次调频能力,导致电网频率波动增大,安全稳定性变差,令其参与电网调频是解决该问题的重要途径。针对现有光伏电站减载运行参与一次调频能力受辐射度传感器影响大、减载算法公式复杂等问题,提出一种不依赖传感器的光伏电站一次调频控制策略。该策略首先设计有功备用控制层,提出一种减载算法令光伏电站按照设定的有功备用比减载运行,为一次调频做铺垫;然后利用改进下垂控制和虚拟惯性控制设计频率响应层,将电网频率波动信息转变为有功备用比增量;基于有功备用控制层和频率响应层提出了变备用比的一次调频控制策略,实现一次调频,最后通过RT-LAB进行实验验证。实验结果表明所提减载算法可靠性高,一次调频控制策略能够有效改善电力系统一次调频效果,缓解新型电力系统的调频压力。

基于改进型一致性算法的储能SOC均衡控制方法

针对光伏、风机等具有不受控性和波动性的分布式发电系统(DGS)大规模并入电网造成的储能单元出力不均匀和荷电状态(SOC)不均衡的问题,基于多代理系统提出了一种基于梯度补偿的改进型一致性算法。将DGS、退役动力电池储能系统(DPBESS)和电网共同组建成多代理微电网系统。在改进一致性算法基础上设计了SOC均衡控制方法,加快了无中心控制器的储能系统SOC均衡速度,保证了微电网内能量的供需平衡。通过仿真验证了所提控制方法的有效性。

基于自抗扰控制的风电并网变流器锁相环设计

在高比例可再生能源渗透环境下,电力系统呈现低惯性阻尼特性,传统基于PI控制器的同步参考坐标系锁相环更易受到新能源波动性的影响,造成锁相输出结果较差,从而引发跟网型风电变流器的一系列振荡问题。提出基于一阶线性自抗扰控制器的锁相环,通过对比分析一阶线性自抗扰锁相环和传统锁相环的频域特性,说明其抗扰性能的优势。提出一种简易的参数设计方法,简化锁相环参数设计。在相同带宽尺度比较下说明高阶自抗扰控制器应用于并网变流器锁相环的局限性。通过锁相环仿真和基于混合多电平并网变流器的实验结果表明,所提自抗扰锁相环在受扰动环境下具有更准确的锁相结果,更加适用于高比例可再生能源参与的新型电力系统。

模块化多电平复合变换器电池储能系统模型预测优化控制策略

基于MMHC-BESS,将MPC算法与占空比调制思想结合,提出一种可有效减小系统计算负担的模型预测优化控制策略。控制策略利用MPC算法实现功率控制,通过变换器的离散模型反推出最优输出电压,采用载波移相调制方法实现开关信号输出。同时考虑电网电压不平衡状况,利用MPC算法对负序电流及功率波动进行抑制,具备较好的冗余容错运行能力。最后通过仿真模型验证了所提控制方法的有效性和可行性。

储能型MMC-HDT的无源控制及模式切换控制策略

针对智能煤矿建设的需求和煤矿井下电网存在的问题,提出了一种含有储能模块的储能型模块化多电平混合式配电变压器(MMC-HDT)。首先,对提出的储能型MMC-HDT进行建模,并考虑电网故障和储能荷电状态(SOC)给出四种工作运行模式。其次,根据MMC-HDT交流侧的端口受控耗散哈密顿模型(PCHD)设计无源控制器。最后,设计四种工作运行模式的切换控制策略。实验结果表明,所提控制策略在储能型MMC-HDT中,馈网电流稳态总谐波畸变率进一步降低,有效限制电压故障时馈网电流无限制突增;在任何电网电压故障状态下,均可以实现负荷电压保持在额定值处,可以实现不间断供电的功能,提高了配电系统的可靠性。

多电平变换器拓扑结构综述及展望

多电平变换器具有输出谐波小、dv/dt小、器件电压应力小等优点,广泛应用于电力系统、电力传动等高压大容量电能变换场合。该文对多电平拓扑结构进行分析总结,为构造满足不同应用场合、不同特点的多电平变换器提供思路。文章首先从基本单元分析法出发,得出了多电平电路的具体实现方式,然后系统地介绍几种典型多电平变换器的拓扑结构和工作原理,再分别从不同的拓扑结构出发,回顾国内外最新研究进展,分析多电平拓扑结构的发展趋势,并且指出多电平变换器在新拓扑结构、软开关技术上的重要发展方向,为多电平拓扑结构的发展提供了新思路。

基于多段式零序电压逼近的HANPC多电平变换器优化控制方法

多电平变换器具有器件承受开关应力小、低du/dt及输出谐波性能好等优点,广泛应用于高压变频调速、新能源发电及电力系统等中高压大容量电能变换场合。针对一种新型混合有源中点箝位型(hybrid active neutral point clamped,HANPC)多电平变换器存在零序电压求解误差较大,造成相电压电平跳变频繁及上下母线电容纹波过大的问题,提出一种多段式零序电压逼近的优化控制方法。首先探讨了不同开关状态及相电流对不同位置电容电压的耦合影响,给出了悬浮电容及中点母线电容均压控制方法;在此基础上,将零序电压求解问题转换为优化问题,同时考虑线性调制范围的约束,避免过调制及减少相电压跳变的情况。通过仿真及实验表明,所提方法适用于不同负荷及不同调制比,可以平滑电压参考信号并减少电平跳变的情况,进一步减少了上下母线电容电压的波动幅值,为其在中高压场合的应用提供了参考。

多线圈耦合WPT系统效率优化控制策略研究

针对多耦合无线电能传输(WPT)系统存在的高传导损耗现象,提出了一种基于扰动观测法的多线圈耦合WPT系统最大效率跟踪控制策略。此处首先建立了多耦合WPT系统等效电路模型,在系统谐振的情况下,分析了系统整体传输效率与源端电压有效值之比的关系;再根据系统效率模型,以系统效率最优为目标,通过比例积分(PI)闭环实现副端恒功率控制,采用扰动观测法配合移相控制实现源端等效阻抗匹配,最后搭建了基于碳化硅器件的WPT样机模型,实验证明所提方法在不需要源、副端通信的情况下,可以实现多耦合WPT系统的最大效率跟踪控制。

基于线性自抗扰控制的无线电能传输装置设计

针对电压型无线电能传输系统(wireless power transfer,WPT)在实际应用中受外界或系统内部扰动时出现输出电压不稳定以及如何保证控制器对扰动情况迅速做出反应的问题,提出一种基于线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)的WPT系统。首先根据WPT系统SS型谐振网络的T型等效电路建立传递函数模型,分析了各个参数对系统输出的影响,并推导出移相角度与输出电压的关系;其次结合系统模型及自抗扰控制理论,设计一阶LADRC控制器对系统输出电压进行闭环控制,并确定各个环节待整定参数的调节方向;最后搭建了基于LADRC的无线电能传输装置,在多种扰动的情况下比较了LADRC控制器与PI控制器的控制效果。实验结果证明,LADRC控制器能够更好的应对系统扰动的不确定性,保证了WPT系统的恒压输出,具有良好的控制特性。

退役动力电池SOC估算及新型均衡电路的研究

退役动力电池储能应用时,需要对电池状态进行评估与测试,能否快速准确在线估算SOC是制约退役电池梯次利用及快速成组的关键。通过建立退役动力电池等效模型,采用卡尔曼滤波和参数辨识结合的方法,可以实现SOC的实时估算;退役动力电池串并联成大型电池组应用于微电网储能,使用时需要更严格的均衡管理。针对现有的大型电池组均衡电路均衡用时长、效率低问题,设计了新型均衡电路。

双耦合LCL拓扑ICPT系统的强抗偏移方法研究

感应耦合式电能传输(ICPT)系统在线圈偏移时会造成输出功率和输出电压波动,现有的抗偏移方法存在过于依赖系统建模且自适应性较差的问题,且大多没有考虑耦合系数连续变化对系统输出特性的影响。针对上述问题,以基于DDQ线圈的双耦合LCL拓扑ICPT系统为研究对象,提出了一种基于变论域的模糊自适应控制的强抗偏移方法。首先通过电路分析推导出双耦合LCL拓扑ICPT系统的输出功率表达式,得到输出功率与耦合系数及系统参数之间的关系;然后借助有限元分析软件ANSYS对DDQ线圈进行三维磁场建模,得到了耦合系数与线圈偏移量之间的对应关系,在此基础上,以得到的3组偏移量与耦合系数的对应值为数据,并以系统输出功率波动的偏差平方和为目标函数,提出了基于自适应粒子群的ICPT系统参数优化方法,得到输出功率波动最小的一组系统最优参数值,一定程度上提升了系统的抗偏移性能;最后采用基于变论域的模糊自适应控制方法,通过动态调节PID控制系数的修正值实现快速调节负载端电压的目的,以使系统输出较高的功率。仿真结果表明:该方法解决了现有方法存在的自适应性较差的问题,能很好地适应耦合系数连续变化的工况,具有较好的适应性和控制效果,提升了ICPT系统的强抗偏移性能,维持了负载端输出电压的基本恒定。

级联型能源路由器的复合控制方法

以能源互联网的最核心环节—能源路由器为研究背景,将前端级联H桥和双有源全桥(DAB)级分别进行独立控制时,将DAB级等效为输入独立输出并联拓扑进行研究。为提高其输出端负载情况突变及输入电压突变时输出电压的动态性能,借鉴直接功率思想,结合闭环控制和前馈控制,以H桥内的超前桥臂与滞后桥臂之间的移相角为控制变量,提出了一种复合控制策略。通过实验将所提复合控制与传统电压闭环控制进行性能对比验证。实验表明:该控制方法极大提升了变换器的动态性能,其控制实现也相对简单且对电路参数依赖性较小,有较好的兼容性和可移植性,在其他类型变换器动态响应研究中有借鉴的潜力。

基于SiC的高频双边LCC无线能量传输装置的研究与实现

针对电磁耦合式无线能量传输(wireless power transfer,WPT)系统的工作频率低、功率密度小和传输距离近等问题,采用双LCC拓扑结构,通过叠加原理得到了系统输出电流的表达式。通过T型等效电路得到了双LCC型的8阶系统数学模型。应用幅频特性分析方法,实现了系统恒压、恒流工作频率的选择。采用LCC型参数的配置方法,并基于碳化硅(SiC)器件搭建的高频逆变器。实现了一台工作频率≥300 kHz、传输功率≥500 W、最大传输效率≥90%及传输距离≥100 mm的强抗偏移的特性WPT实验样机。重点研究了NP0电容对保障系统稳定的工作在高频状态下的作用。通过仿真分析与实物验证,对比了SS型与双LCC型存在线路损耗时的传输特性,得到了动态负载及原副两线圈耦合系数不确定情况下对系统传输影响的规律。

3种谐振式无线电能传输系统的电路法模型及其特性

针对无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统处于不同负载、耦合系数和频率的运行状况进行分析,基于T型等效电路和二端口网络,得到了SS、LCL和LCC3种谐振网络的传递函数模型。将3种谐振网络的传输特性进行分析,实验结果表明3种谐振网络均为恒流输出,其中LCC网络具有随负载和耦合系数变化呈单调增的关系,有效地解决SS和LCL网络中存在传输功率过小等问题,并抑制系统处于偏谐振或低耦合状态下出现功率过载的情况。最后搭建了一台基于移相全桥(phase shift full bridge, PSFB)控制的LCC型WPT实验样机,能适应宽负载变化范围,当逆变器处于不同的移相角下均能保持零相角(zero phase angle, ZPA)的条件,使得系统具有较高的传输效率。

基于MAS的MMHC-BESS PQ控制SOC协同控制方法

由于电网中可再生能源发电的间歇性和易变性、用户侧负荷的不确定性以及能量的双向性,需要一种合理的微电网协同控制方案来实现多BESS微电网的可靠运行。鉴于模块化多电平复合变换器(modular multi-level hybrid converter,MMHC)电池储能系统(battery energy storage systems,BESS)的效率高、成本低等优点,根据MMHC-BESS的拓扑结构对其进行了建模和SOC估计,并在此基础上提出了一种MAS控制微电网MMHC-BESS PQ控制的SOC协同控制方案,实现了并网微电网内能量的供需平衡、容量不同的MMHC-BESS的SOC协同控制以及MMHC-BESS逆变器输出功率的限幅,最后通过仿真验证了所提方法的有效性。

模块化多电平储能复合变换器SOC均衡策略研究

以物理结构及功能上高度集成为目标的模块化多电平变复合变换器(modular multilevel hybrid converter,MMHC)电池储能系统(battery energy storage system,BESS)可以直接并入中、低压交流电网,相较于其他电池储能系统具有效率更高、成本更低的优点,有利于解决分布式新能源发电侧出力的间歇性和不确定性问题,实现用户侧负荷的削峰填谷。根据MMHC-BESS拓扑结构特点,给出了MHHC-BESS的调制策略,针对多电平变换器电池储能系统中电池组采用安时积分法配合开路电压法对电池荷电状态(state of charge,SOC)估计效果差的问题及MMHC-BESS能量利用率的问题,分别提出了基于扩展卡尔曼的电池模型闭环SOC估计策略及二层SOC均衡策略,实现了MMHC-BESS所有电池组SOC的精确估计及MMHC-BESS的相间、相内所有电池组模块SOC均衡,并搭建了仿真模型,验证了所提SOC估计方法及均衡策略的有效性。

模块化多电平复合变换器电池储能系统容错控制策略

模块化多电平复合变换器电池储能系统(modular multi-level hybrid convert-battery energy storage system,MMHC-BESS)适用于中低压电网,有利于解决可再生能源并网问题。但随着子模块数量的增加,系统的可靠性面临着巨大的挑战。为增强储能系统的容错运行能力,针对子模块故障下的不平衡运行状态,提出无硬件冗余容错的控制策略,基于载波移相调制,通过调制波重构算法维持线电压平衡及并网功率恒定。此外,为提升储能电池容量利用率,针对容错运行模式下的荷电状态(SOC)均衡策略进行了研究,通过零序电压注入及动态调节相内SOC均衡因子构成相间、相内两级SOC均衡策略。最后基于PLECS软件搭建仿真模型,验证了所提策略的可实施性及有效性。