Robust Nonlinear Current Sensorless Control of the Boost Converter with Constant Power Load

The boost converter feeding a constant power load (CPL) is a non-minimum phase system that is prone to the destabilizing effects of the negative incremental resistance of the CPL and presents a major challenge in the design of stabilizing controllers. A PWM-based current-sensorless robust sliding mode controller is developed that requires only the measurement of the output voltage. An extended state observer is developed to estimate a lumped uncertainty signal that comprises the uncertain load power and the input voltage, the converter parasitics, the component uncertainties and the estimation of the derivative of the output voltage needed in the implementation of the controller. A linear sliding surface is used to derive the controller, which is simple in its design and yet exhibits excellent features in terms of robustness to external disturbances, parameter uncertainties, and parasitics despite the absence of the inductor’s current feedback. The robustness of the controller is validated by computer simulations.

State-of-charge Balance Control and Safe Region Analysis for Distributed Energy Storage Systems with Constant Power Loads

This paper presents a fully distributed state-of-charge balance control (DSBC) strategy for a distributed energy storage system (DESS). In this framework, each energy storage unit (ESU) processes the state-of-charge (SoC) information from its neighbors locally and adjusts the virtual impedance of the droop controller in real-time to change the current sharing. It is shown that the SoC balance of all ESUs can be achieved. Due to virtual impedance, voltage deviation of the bus occurs inevitably and increases with load power. Meanwhile, widespread of the constant power load (CPL) in the power system may cause instability. To ensure reliable operation of DESS under the proposed DSBC, the concept of the safe region is put forward. Within the safe region, DESS is stable and voltage deviation is acceptable. The boundary conditions of the safe region are derived from the equivalent model of DESS, in which stability is analyzed in terms of modified Brayton-Moser's criterion. Both simulations and hardware experiments verify the accuracy of the safe region and effectiveness of the proposed DSBC strategy.

带CPL的直流微电网定频滑模稳定控制

恒功率负载(CPL)固有的负阻抗特性会影响直流微电网中DC/DC变换器的稳定运行,进而使直流微电网陷入不稳定状态。为此,提出了一种带CPL的直流微电网定频滑模稳定控制方法,借助非线性的定频滑模控制策略实现对DC/DC变换器环节的稳定控制,进而使直流微电网免受CPL的不稳定干扰。首先以Boost变换器为例,介绍了恒功率负载的不稳定负载阻抗效应,并推导了对应的Boost变换器离散时间模型,接着提出了基于电流模式控制的离散时间滑模控制方法,并通过额外增加一个外部电压环路确保了闭环系统的稳定性,最后借助仿真和样机实验对所提出的方案进行了验证。实验结果表明,所提出的带CPL的直流微电网定频滑模稳定控制方法可以实现启动浪涌电流限制和确保系统稳定运行,同时拥有良好的稳态性能和瞬态性能。

考虑构网型和跟网型变流器的孤岛微电网小信号稳定性分析

由电力电子设备主导的孤岛微电网面临系统惯量小、无频率支持而导致的稳定性问题,恒功率负荷的渗透也加剧了系统的失稳风险。研究了由构网型变流器和跟网型变流器为主导的,计及恒功率负荷的孤岛微电网稳定性。首先,建立了孤岛微电网系统的全阶小信号模型,通过特征值分析法研究了构网型变流器控制中下垂系数对稳定性的影响并得到了下垂系数的数值上界;其次,通过参与因子法揭示了系统参数和控制参数对小信号稳定性的影响;最后,在Matlab Simulink中建立了该孤岛微电网的开关模型,仿真验证了小信号分析结果的准确性。

欧式围网起网理网机负载敏感液压系统设计及仿真

欧式围网是海洋捕捞中上层鱼类效率最高的围网渔法之一。研究了理网与起网传动控制协同性技术,以保障欧式围网高效连续起网作业。以某新型40 m欧式围网示范渔船上的起网与理网适配需求为基础,采用负载敏感控制技术设计起网理网机液压传动控制系统,构建“渔具负载-起网速度”阻力特性模型,基于液压负载敏感和电液恒功率控制的双闭环反馈控制系统,以协同控制围网起网理网机自适应工作负载,并通过AMESim软件对起网理网机负载敏感液压传动控制系统进行仿真。结果显示:起网理网机负载敏感液压传动控制系统可以自适应围网起网渔具负载变化,自动调节理网速度实现恒功率理网,实现连续起网作业。相比传统液压系统传动的起网理网机,在相同海况下,起网效率提高32.78%。本研究涉及的液压负载敏感传动控制技术为欧式围网渔业高效捕捞提供了解决方案。

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。

带CPL的直流微电网二次D稳定模糊逻辑控制

围绕带恒功率负载(CPL)的直流微电网稳定运行问题,提出了一种系统性的简单方法来设计功率缓冲器的状态反馈控制器。基于分区非线性理论,带多个CPL的非线性直流微电网系统可用Takag-Sugeno型非线性模糊模型(T-S模型)描述。同时,由二次D稳定性理论,使用线性矩阵不等式(LMI)获得了保证闭环系统稳定性和期望动态性能的充分条件,当该条件满足时,闭环系统的衰减率和振荡都将限制在预定义的范围内。利用所搭建的直流微电网硬件在环实时仿真测试系统开展了对比实验研究,测试结果验证了新型控制策略与传统方案相比,在实施更简便的同时,可实现带多个CPL的直流微电网系统快速收敛性和较优的动态性能。

基于非周期间歇控制的直流微电网控制

针对直流微电网系统的稳定问题,提出了一个事件触发的非周期间歇控制方案。首先,在非线性直流微电网中引入蓄电池储能系统,通过控制储能系统注入的镇定电流来稳定直流微电网系统。其次,设计基于事件触发的非周期间歇控制的控制方案,并证明了所提策略的指数稳定性判据。最后,通过仿真验证了所提控制策略的有效性与正确性。

虚拟负电感控制的高频段参数整定方法

随着直流微电网电力电子化程度的提高,多变换器在硬件和算法上的深度耦合会直接影响电网电压的稳定。为了分析恒功率负载引起电压振荡的机理,建立直流微电网复频域模型并推导电压稳定的约束条件。在此基础上构建虚拟负电感补偿环节以抵消LC滤波器电感对电压稳定的影响,从而满足约束条件并抑制系统的电压振荡,并对虚拟负电感的高频段补偿方法和工程设计方法及参数选择依据进行研究。最后,采用奈奎斯特判据分析直流微电网的稳定性,并通过实验验证了所提算法的有效性。

关于电动自行车用充电器充电制式检测方法的研究

电池的多样性导致了充电制式的多样性。对一款未知充电器的充电制式,特别是当充电制式有多个充电阶段,且每个阶段有多个跳转条件的智能型充电器,需测试其充电曲线,了解该充电器的充电制式分为几个阶段,且每个阶段是什么模式,然后对每个阶段的具体参数进行针对性的检测。经过对多种不同充电器的各个阶段的参数及跳转条件的研究,笔者找到了一种检测方法。使用直流电子负载模拟电池,通过恒流工作模式、恒压工作模式、恒阻工作模式、恒功率工作模式,对不同的充电条件进行设置,能任意控制电流、电压的时长,从而在检测出所需的参数的同时,大幅度缩短检测周期。

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。

基于元件原理解析的掘进机液压系统故障诊断

当前矿用掘进机已向智能化和掘锚探一体化方向发展,使得其液压系统更加复杂。针对掘进机液压系统中关键元件结构原理复杂、故障机理分析专业性强、故障排查与处理难度大、效率低等问题,阐述了关键、复杂元件的功能特征,分析了其结构与工作原理。在此基础上总结了掘进机液压系统典型故障现象与特征,详细分析了故障的诱因及处理方法,提出了故障预防的措施,可为掘进机液压系统设计、使用、维护者在系统优化、故障高效判断及排除方面提供参考。

电机冷却水热时间常数模型分析及影响因素研究

为保证半导体精密运动设备内精密温度控制模块的精度及稳定性,建立了负载电机冷却水热时间常数理论计算模型,用于计算电机工作时的最大热负荷梯度,为精密温度控制模块选型提供依据。理论模型表明冷却水热时间常数主要受电机结构、材料热物性和冷却水流量影响。仿真结果表明,电机冷却水温度随时间变化基本符合时间常数理论模型,冷却水时间常数与电机热功率无关,但随着电机冷却水流量的减小而增大,仿真值与理论模型计算差值为27%。实验结果与仿真结果基本一致,相同工况下仿真与实验得到的冷却水时间常数最大差值为7%。

有损LC滤波器和Buck变换器级联系统有源阻尼控制方法

以LC滤波器和Buck变换器带恒定负载构成的级联系统,若前级电路LC滤波器参数设计不当,系统会因前后级参数不匹配引发电压振荡。尽管现有研究针对该系统探究了其近似线性化建模、阻抗比判据及阻尼控制设计,但均忽略了滤波器自身损耗的影响。因此,提出了计及滤波器损耗参数的系统电路模型,在此基础上列写小信号方程推导出系统端口等效阻抗,以赫尔维茨劳斯判据分析了其损耗参数对系统稳定性的作用规律,逐一设计了系统有源阻尼前馈控制回路传递函数。最后,分别通过阻抗比判据等效阻抗伯德图及仿真,分析和验证了该控制方法的有效性。

提升新型电力系统调频能力的受控负荷阻尼因子控制器

建设以新能源为主体的新型电力系统是实现碳达峰和碳中和的有效途径。随着可再生能源发电的大规模建设并入网,常规以化石能源为燃料的大型发电机组将会被逐步替换,这种情况将导致新型电力系统的调频与调峰面临着巨大的压力。同时随着用电负荷设备中电力电子的渗透和自动化水平的提升,在电力系统调频中使用的负荷阻尼常数D,即负荷有功对系统频率变化的自然响应,也发生了相当大的改变。很多单个家用电器及其组合对系统频率的变化不响应或基本不响应,这意味着负荷阻尼常数D会变得很小。由此,提出1种受控负荷阻尼因子的新概念、控制器的设计理论和实现方法,将大幅提升负荷有功功率对系统频率变化的受控响应,有效增强了新型电力系统的调频能力。根据2021年全国负荷水平计算,按照所提理论,可以给全国电网增加的调频容量达到(15000~20000)MW/0.1Hz,为解决大规模可再生能源发电接入电网面临的调频难题提供理论和技术支撑。

基于深度学习的恒功率负荷直流微电网稳定性分析

针对恒功率负荷(CPL)因负阻抗特性导致直流微电网母线电压失稳的问题,从限制CPL取值范围出发,引入深度学习算法分析系统的稳定性。首先,通过采用直流微电网机理模型仿真,建立初始数据库;然后,对数据库进行预处理,在此基础上,利用最大信息系数进行相关性分析,得到系统参数与CPL临界值之间的相关性强弱信息,并实现输入特征降维;接着,采用自定义损失函数与量化预测性能等方法设计适用于CPL临界值预测的深度学习策略。最后,针对不同场景的直流微电网进行仿真测试,并通过硬件在环实验验证所提深度学习策略的有效性和优越性。

含混合储能直流微电网混合势函数建模及稳定性分析

针对含恒功率负荷的混合储能直流微电网大扰动稳定及储能变换器建模问题,在推导混合储能(hybrid energy storage system,HESS)脉宽调制开关网络等效模型基础上,提出了一种基于混合势函数理论的含HESS直流微电网稳定性判据及分析方法。首先,计及HESS充放电特性,将含HESS直流微电网系统的工作状态划分为buck和boost工作模式;接着,分别建立上述两种工作模式下基于脉宽调制开关网络等效模型的直流微电网系统混合势函数模型;最后,应用混合势函数理论第3稳定性定理,分别推导得到buck和boost工作模式下的直流微电网大扰动稳定性判据,并对比基于开关平均模型的系统稳定性判据,提出的稳定性判据推导方法对系统动态行为预测更为准确。仿真验证了所提稳定性分析方法的合理性以及混合势函数判据的先进性。

基于虚拟直流机的直流微电网电压稳定控制策略

针对大量恒功率负荷接入直流微电网致使直流微电网失稳的问题,提出了一种基于虚拟直流机(VDCM)的直流微电网电压稳定控制策略。控制策略以储能双向DC/DC变流器为研究对象,基于直流电机原理,以电感电流为反馈量在传统下垂控制的基础上引入VDCM环节,增强系统阻尼,降低恒功率负荷对系统稳定性的影响。通过建立所提控制策略下的直流微电网小信号模型,利用阻抗匹配原则分析相关参数变化时系统的稳定性,并将其与传统的VDCM控制策略进行对比。最后,搭建仿真模型和硬件实验平台,验证所提控制策略的有效性。结果表明:所提控制策略使变流器具备了直流电机的惯量和阻尼特性,在提升系统稳定性的同时,也在一定程度上改善了系统动态响应性能,且其控制效果优于传统的VDCM控制策略。

基于恒压源的等效负载功率稳定控制电路

为解决负载波动对远程供电系统带来的不利影响,增强系统的稳定性,研究设计了基于恒压源的等效负载功率稳定控制电路基本模型,可在实际负载阻值发生任意变化时使相对于电源的等效负载保持稳定。通过对电路进行分析建模、仿真模拟与实验,验证了该基本模型电路的可行性和有效性。

基于负载变流器控制带宽的直流系统稳定性分析

针对负载变流器经线路聚合至共母线直流系统后,其线路电感与负载变流器输入滤波电容构成的LC振荡环节落入负载变流器控制带宽内,从而导致整个共母线直流系统发生非预期失稳的现象,提出了负载子系统自稳性判据。首先,建立了负载侧计及线路影响的恒功率负载模型,研究了负载变流器控制带宽对共母线直流系统稳定性的影响。然后,确定了负载变流器的控制带宽选取范围,使得计及线路影响的恒功率负载阻抗在LC振荡频率处的阻尼为正,进而确保整个共母线直流系统稳定。最后,硬件在环仿真的实验结果验证了负载变流器控制带宽对系统稳定性影响理论分析的有效性。