非最小相位的单电感双输出Buck-Boost变换器的复合控制方法

单电感双输出Buck-Boost (SIDO Buck-Boost)变换器在电感电流连续模式(CCM)下工作存在交叉影响以及非最小相位特性的问题.为了解决上述问题,提出基于储能函数的扩张状态观测器(ESO)的改进非奇异快速终端滑模(NFTSM)和自抗扰控制(ADRC)相结合的控制策略.设计主路控制器,对系统的传递函数进行拟合得到ADRC范式,利用该范式对主路进行解耦控制.设计支路控制器,采用改进型ESO对储能函数进行观测,并将观测值反馈补偿到非奇异快速终端滑模控制律中,达到支路解耦的效果.为了抑制滑模控制的抖振问题,对趋近律进行改进.利用Lyapunov理论证明系统稳定性.基于硬件在环(HIL)实验平台进行实验验证.结果表明,所提控制策略与PI控制策略以及基于ESO的滑模控制策略相比,在超调量和响应时间上具有较好的效果.

分数阶双输入Buck变换器的逆向解耦PIλ控制

为提高分数阶双输入Buck变换器的动静态性能,提出一种逆向解耦PIλ控制。首先,基于状态空间平均法建立双输入Buck变换器的分数阶数学模型,推导其分数阶小信号等效模型。随后,分析能量间的耦合关系。基于逆向解耦方法实现变量间的解耦,并推导实现分数阶逆向解耦的必要条件。最后,对解耦系统分别设计分数阶PI控制器,并结合分数阶系统的Nyquist判据证明控制系统的稳定性。仿真结果表明,所提控制策略具有良好的抗干扰性能和动静态调节特性。

基于扩张状态观测器的单电感双输出Buck变换器滑模解耦控制

针对单电感双输出Buck变换器输出支路在发生负载扰动时存在交叉影响严重、瞬态响应慢的问题,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的滑模解耦控制策略.首先考虑负载扰动问题,将系统模型转化为输出电压偏差模型,设计了主路ESO对负载扰动进行估计,并将干扰估计信息补偿到主路开关管的改进型趋近律反步滑模控制器.其次考虑支路耦合问题,将一支路依据自抗扰范式拟合为独立系统,其中支路耦合项和外界扰动被视作总扰动,设计了支路ESO对其进行估计,基于干扰估计信息和滑模控制算法在支路开关管构造了滑模自抗扰控制器.最后利用Lyapunov理论证明了主、支路控制器的闭环稳定性.仿真结果表明,该控制策略使得支路间的交叉影响显著减小,并提升了系统瞬态响应速度.

I^(2)控制单电感双输出Buck LED驱动电源交叉影响分析

单电感双输出(single-inductor dual-output,SIDO) Buck LED驱动电源有LED_(1)和LED_(2) 2条输出支路,2条输出支路间存在交叉影响.为减小工作于电感电流连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)的SIDO Buck LED驱动电源的输出交叉影响,提出电流-电流(current-current,I^(2))控制SIDO Buck LED驱动电源.基于SIDO Buck LED驱动电源的工作原理和开关状态,采用状态空间平均法建立状态空间平均模型和小信号模型;在此基础上,分析I^(2)控制SIDO Buck LED驱动电源的电路结构和工作原理;基于电感电流纹波和输出电流纹波,推导占空比的小信号表达式,获得交叉影响传递函数;通过交叉影响传递函数Bode图,对比分析其与电压控制SIDO Buck LED驱动电源输出支路间的交叉影响.研究结果表明:当电压控制SIDO Buck LED驱动电源LED_(1)输出支路的参考信号分别从1.6 V突变至0.8 V和从2.4 V突变至1.2 V时,其LED1输出支路对LED_(2)输出支路的交叉影响分别为0.250 A和0.365 A;反之,LED_(2)输出支路的参考信号分别从3.2 V突变至1.6 V和从2.4 V突变至1.2 V时,LED_(2)输出支路对LED1输出支路的交叉影响分别为0.06 A和0.04 A.参考信号相同变化条件下,I^(2)控制SIDO Buck LED驱动电源LED_(1)输出支路对LED_(2)输出支路的交叉影响分别为0.090 A和0.115 A,相反,LED_(2)输出支路对LED_(1)输出支路的交叉影响分别为0.030 A和0.015 A.相比电压控制SIDO Buck LED驱动电源,I^(2)控制SIDO Buck LED驱动电源减小了输出支路间的交叉影响.

基于CESO的SIDO Buck-Boost变换器自抗扰控制策略

针对单电感双输出Buck-Boost变换器两输出支路va和vb间存在交叉影响,暂态性能差等问题,提出一种基于级联扩张状态观测器(CESO)的自抗扰控制(ADRC)策略.首先,根据ADRC理论将主路和支路分别拟合为相互独立的系统,减少支路间的交叉影响;其次,设计CESO对系统总扰动进行估计,消除因传统扩张状态观测器不完全估计而造成的观测残差,并利用CESO对电路传感器高频噪声的抑制作用,进一步提高观测值的估计精度;然后,将观测值作用于ADRC的状态误差反馈控制率,以提高系统的暂态性能;最后,利用Lyapunov理论证明了控制系统的闭环稳定性.仿真结果表明:本文所提控制策略有效减小了两输出支路va和vb间的交叉影响,同时提高了系统的暂态性能.

改进型Dual-Buck逆变器

在逆变系统中,电路运行的可靠性是拓扑设计需要考虑的主要指标之一。在电路工作过程中,例如直通或者反向恢复过慢等问题会直接影响一个电路工作的可靠性。Dual-Buck逆变器能够在不加死区保护的情况下解决以上的问题。但是较低的电感利用率使得整个系统的体积和重量增大。首先总结了几种传统的Dual-Buck电路拓扑以及一种单电感结构的Dual-Buck逆变器。然后提出了能够改善基于MOSFET逆变器可靠性的方法。新型的方法在保留传统Dual-Buck逆变器高可靠性的基础上解决了电感利用率低的问题,而且相比于之前的单电感Dual-Buck逆变器损耗更小,控制复杂度更低,具有较为实际的应用价值。最后,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

基于双Buck全桥矿用逆变电源谐波抑制策略研究

针对目前非线性电力电子器件的广泛使用导致逆变器输出电能质量下降问题,通过对双Buck逆变器的研究提出一种改进型的嵌入式双PI+重复控制,结合双PI调节的动态响应快和重复控制对输出各次谐波抑制能力强的优点从而提高双Buck逆变器的稳态精度。最后在仿真平台对传统全桥逆变和双Buck全桥逆变分别采用传统PI控制和嵌入式双PI+重复控制带不同负载的情况下进行仿真分析并搭建了相应的实验样机平台进行验证。根据仿真和实验结果可以得出双Buck全桥逆变在抑制输出谐波方面比需要设置死区时间的传统全桥逆变更具优势,电压总谐波畸变率保持在2%以下,且所提出的新型控制策略在带非线性负载情况下对输出波形畸变有较大的改善,可明显提高输出电能质量。

基于新扩展移相双有源全桥变换器降压-升压模式下电流应力优化

为降低双有源全桥变换器在降压-升压模式下的电流应力,提出一种基于新扩展移相调制的电流应力优化控制策略.首先,将变压器两端输出高电平电压之间移相量定义为外移相角,再对比分析降压-升压模式下内移相角在变压器不同侧时变换器的工作特性,根据移相角之间的关系划分为3种工作模态,得到电流应力表达式和功率模型.然后,对比分析得到优化工作模式,利用拉格朗日乘数法算法获取电流应力最优的相移组合.最后,搭建实验平台在降压-升压模式下对变换器进行验证,实验结果表明电流应力优化控制策略显著降低变换器在降压-升压模式下的电流应力.

双Buck电压源逆变器的半周期电流调制方法

双Buck逆变器由于消除了桥式逆变器的直通问题并优化设计了续流二极管,效率及可靠性都得到了很大的提高。传统的用于双Buck逆变电路的斜坡比较控制采用带偏置电流的控制方式,导致效率较低。采用滞环控制半周期电流调制方式消除了偏置电流,提高了效率,但是开关频率的变化不利于输出滤波器的设计。本文首先分析了电流半周期调制方式下双Buck逆变器的四象限运行方式及半周期调制原理,提出采用单电流互感器采样的恒频斜坡交截控制。对斜坡交截控制和滞环控制的稳态和动态性能进行了比较,并对有偏置电流和无偏置电流斜坡交截两种控制方式进行了频谱分析。仿真和实验结果表明了理论分析的正确性。

复合型级联双Buck飞跨电容五电平逆变器

为了提高效率、改善波形和实现高频化,提出复合型级联双Buck飞跨电容五电平逆变器。由耐压功率元器件构成的全桥电路实现基波频率波形,由低压高频率的元器件构成双Buck为基础的飞跨电容逆变电路,改善了波形,提高了整机效率。该拓扑具有双Buck与飞跨电容逆变器的双重优点,双Buck逆变器具有无桥臂直通、无体二极管反向恢复问题的优点和电流半周期工作模式,使得高频化和高效率得以同时实现。飞跨电容逆变器可以通过逻辑电路选择冗余模态,从而控制飞跨电容的充放电来实现飞跨电容电压的平衡,并且对该电路进行了理论分析及实验验证,该电路可拓展为更高电平。

双Buck逆变器的双环滑模控制策略

针对传统电压电流双环控制下双Buck逆变器电压调整率和动态性能的问题,提出一种基于滑模控制的双环控制策略,其中电感电流参考量是输出电压误差经PI调节后得到的。选取电感电流误差、输出电压误差及其动态误差作为3个状态变量,以此建立滑模面函数,并对滑模控制器进行了设计。仿真和实验结果表明采用双环滑模控制的双Buck逆变器稳态精度高、谐波畸变率小、带负载能力强,相较于传统的双环控制,双环滑模控制具有更好的鲁棒性和动态性能。

双Buck逆变器的建模与优化设计

对双Buck逆变器进行小信号分析和建模,研究了一种引入谐振控制器的瞬时电压电流反馈双环调节方式。电流内环采用滞环控制,具有易于实现、无条件稳定和响应速度快等优点;电压外环保证了输出电压具有较好的正弦度和稳态特性。此外,谐振控制器的引入也使系统输出外特性显著提高,与传统的采用电流前馈环提高负载抗扰动能力的方法相比,在不增加控制环的基础上,提高了系统的稳态性能,节约了逆变器成本。仿真和实验验证了该控制方案的可行性,系统取得了较好的输出波形质量,较快的动态响应,精确的稳压精度和较高的效率。

一种半周期SVPWM控制的三相双向双Buck/Boost变流器

三相AC/DC变流器广泛应用于中高功率场合,传统的三相桥式拓扑上下桥臂功率管直接相连,存在直通问题,需要在驱动信号中加入死区,导致大量低次谐波的产生。三相双Buck/Boost拓扑克服了上下桥臂的直通问题,无需设置死区,大大减小了交流侧的电流谐波。分析三相双Buck/Boost变流器的工作模态,定义半周期冗余开关信号,论证屏蔽冗余开关信号的必要性,讨论整流、逆变双向切换及半周期控制的过零畸变问题,并提出改进的半周期双向空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)控制策略,通过仿真与实验验证理论分析的正确性。

单相单级式耦合电感型分裂源升压逆变器

面对全球资源日渐紧缺、环境问题日益严重、传统化石能源开发利用越发困难等新挑战,世界各国都在大力探索、发展新能源发电技术,以新能源为主体的新型电力系统是未来电力系统的发展方向。该文提出一种单相单级式耦合电感型分裂源升压逆变器及其调制策略,所提出的变换器具有如下特点:1)采用Δ型耦合电感,极大地提升变换器的输出电压增益,并具有高输出电压增益调节自由度。2)采用双Buck结构,有效抑制逆变桥臂直通电流,降低死区时间配置要求,提高变换器可靠性。3)高输出电压增益条件下具有高调制系数,从而有效提升输出电压波形质量。该文对该变换器的拓扑结构、工作原理、调制策略和输出特性等进行详细分析,通过仿真与实验验证变换器的可行性与有效性。

三相双Buck逆变器过零畸变问题与解决方法

双Buck拓扑克服了传统桥式拓扑上下桥臂的直通问题,将其应用于三相并网逆变器,能够避免驱动信号死区引入的低次谐波,从而降低进网电流谐波含量,且外接快恢复二极管续流,减小了反向恢复损耗。然而,为消除电感的偏置电流以及提高逆变器效率,双Buck逆变器需采用半周期控制策略,导致了进网电流的过零畸变。针对带LCL滤波器的三相双Buck逆变器,分析半周期控制所导致过零畸变的原因,提出带纹波电流负反馈的半周期空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)控制方法,通过在过零点处改变空间电压矢量的基准,有效地消除了进网电流过零畸变,并讨论新型控制算法对系统稳定性的影响,通过仿真和实验验证理论分析。

三电感双Buck逆变器

双Buck逆变器(dual buck inverter,DBI)不存在桥臂直通的问题,且功率开关管和续流二极管分离,便于实现续流二极管的最优选取,因此DBI具有可靠性和变换效率方面的优势。但是,传统DBI滤波电感上的电流是半周期正弦波,磁性元件利用率偏低。为了解决这个问题,提出一种三电感DBI(three-inductor DBI,TIDBI),通过从原始的电感中分离出一个交流滤波电感作为主导的滤波电感,并将两个直流滤波电感耦合,从而提高磁性元件的利用率,有效地降低了滤波电感的体积和重量。详细分析TIDBI的工作原理,给出滤波电感的设计原则。最后通过实验结果验证理论分析的正确性。

一种适用于小功率可再生能源的单相高频双Buck全桥并网逆变器

提出一种适合小功率可再生能源并网发电应用的单相高频双Buck全桥并网逆变器。基于全碳化硅(Si C)功率器件,逆变器工作频率可达100k Hz,有效减小了电感体积,同时使并网电流纹波降低。进一步分析逆变器的控制策略:采用电压电流双环控制,在电流环利用一种三极点三零点(3P3Z)控制器使得受控并网电流快速跟踪电压环产生的电流给定,并采用一种简单线性化算法快速产生控制占空比信号,实现高频变换;电压环采用双极点双零点(2P2Z)控制器,在产生电流内环给定幅值的同时,控制输入侧直流母线电压稳定在电压给定值,使得逆变器能够向电网传输能量的同时维持母线电压恒定;逆变器采用一种二阶广义积分软件锁相环(SOGISPLL)产生与电网电压相位相同的相位信号。最后,通过实验样机对逆变器理论分析的有效性进行了验证。

新型双Buck并网逆变器及其双二阶滑模控制

为了解决双Buck逆变器直流输入利用率低、磁件体积重量大的缺陷,提出一种新型双Buck全桥并网逆变器拓扑,所用器件较少,结构简单;且为使该新型拓扑输出高质量的并网电压和电流,采取以电容电压和电感电流双二阶的滑模控制策略。分析新型拓扑的工作模式和等效电路,给出双二阶滑模控制器的设计过程。仿真与实验结果表明,采用双二阶滑模控制策略下的新型双Buck全桥并网逆变器能够具有很好的动态和稳态性能,且输出的并网电压谐波畸变率小,对直流输入和电网电压扰动的抑制能力强,适应于新能源发电的并网。

一种双直流输入多电平双Buck逆变器

提出一种包含两个直流输入端口的多电平双Buck逆变器。通过在传统双Buck逆变器中引入双直流输入三电平开关单元,构建低压直流输入源与逆变器交流输出侧的直接功率通路,使得低压直流输入源的部分功率无需经过逆变器前级升压电路处理,有效减小了逆变器前级升压电路的功率应力和损耗。同时,逆变器利用两个直流输入在交流电压周期内实现五电平输出,有效减小了逆变器自身开关管的电压应力和开关损耗。此外,逆变器保留了传统双Buck逆变器无桥臂直通、无体二极管反向恢复问题的优点。详细分析逆变器的工作原理和特性,并给出一种适应宽直流电压范围的载波自适应调制策略。实验结果证明了所提出双直流输入多电平双Buck逆变器及其控制策略的正确性和有效性。

复合型级联多电平双buck式逆变器

采用不同级联单元构建的复合型结构成为级联多电平逆变器电路重要的研究与发展方向。为此,提出了一种新颖的复合型级联多电平双buck逆变器结构。该逆变器引入双buck电路作为基本组成单元,由双buck电路和桥式电路级联构成,发挥各自优点;并采用开环工频控制和滞环电流脉宽调制(PWM)控制相结合的控制方案。其中,双buck电路采用PWM控制,完成输出波形闭环控制,充分利用双buck电路无桥臂直通、无开关器件体二极管反向恢复、适宜高频化的特点;而桥式电路单元开关管在整个工频周期仅开关一次,输出阶梯合成波(三电平时为方波),提供输出电压主体,可采用低频高耐压开关器件。该逆变器的电路结构与控制方案均较为简单;保持了多电平变换器输出谐波含量小的优点,有利于减小输出滤波器的大小体积;并具有高可靠性与变换效率。以三电平情形为例进行了实验,验证了以上分析的正确性。