基于移相控制统一模型的双有源桥DC-DC变换器基波环流优化控制策略

为充分利用双有源桥DC-DC变换器的容量,减小无功功率,提升工作效率,提出一种基于变换器移相控制统一模型的基波环流优化控制策略。通过引入基波移相比对变换器的所有移相控制方式进行统一描述,并采用傅里叶分解法建立全桥交流电压及电感电流的统一模型。该统一模型降低了多控制变量下变换器多模态分析的复杂性,适用于不同移相控制的所有工作模式,具有普适性。基于频域分析法和功率因数角,构建变换器传输功率及无功功率的统一数学模型。在此基础上,提出考虑无功基波分量的环流优化控制策略,并对传导损耗进行建模与分析。该策略简单有效,能够很好地减小变换器无功功率和改善系统效率,更有利于工程实际的应用。搭建了实验平台,对比了所提基波环流优化控制策略与传统移相控制方式下变换器的功率因数及变换效率,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的可行性。

双有源桥DC-DC变换器三移相调制及其死区效应分析和补偿

针对双有源桥(DAB)变换器宽电压范围应用,该文研究一种全工况连续、表达形式统一、计算量小的三移相(TPS)调制策略,并分析其功率传输特性及软开关性能。结合工程应用中的非理想因素,对TPS调制不同开关模式下的死区效应及其边界进行研究,给出DAB宽电压范围运行时避免电压跌落和极性反转的约束条件。针对死区引入的移相比损失、软开关范围减小等问题,提出一种基于开关脉冲调整的死区补偿策略以补偿移相比损失,重新获取全工况软开关范围,降低死区引入的附加电流应力及损耗、提升效率。最后通过仿真和实验验证所提策略的有效性。

电机控制器直流侧前置双有源桥DC-DC变换器的模型预测与应力优化混合控制

将双有源桥DC-DC变换器置于电动汽车动力电池与电机逆变器之间,可以根据电机实时转速动态调节系统直流母线电压,提升电机驱动系统的能量变换效率。然而,直流母线电压的大范围变化会带来双有源桥DC-DC变换器电流应力剧增的挑战。为此,该文分析直流母线电压动态变化条件下双有源桥DC-DC变换器的电流应力变化规律及优化方法,在此基础上提出一种模型预测与应力优化混合控制策略,将电流应力优化控制嵌入到模型预测控制中,在降低电流应力的同时还能提高系统的稳态和动态性能。另外,为了抑制模型参数失配对模型预测控制的不利影响,提出一种基于输出反馈的误差校正方法,以提高模型预测控制的参数鲁棒性。原型样机实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性,为直流侧前置双有源桥DC-DC变换器的电机控制器设计与控制提供了理论依据。

多级离散扩展移相控制双有源桥DC-DC变换器的原理、参数设计与性能

该文提出一种双有源桥(DAB)DC-DC变换器的多级离散扩展移相(MD-EPS)控制,旨在提升DAB DC-DC变换器系统的动态响应性能。同时,考虑效率优化,兼顾额定功率范围、输出电压纹波等性能指标,研究MD-EPS控制的离散参数分布方式对控制性能的影响及参数设计方法。通过搭建160 W小功率实验样机对MD-EPS的控制性能进行了验证。实验结果表明,与传统扩展移相控制相比,DABDC-DC变换器的MD-EPS控制能够大幅提升变换器系统的动态响应速度(响应时间缩短99.95%),最高效率为94.54%。

基于DPS的双有源桥DC-DC变换器回流功率优化控制

针对双有源桥(DAB)DC-DC变换器进行回流功率优化研究,在运用传统双重移相控制(DPS)进行调制,变压器两侧的输入电压跟输出电压不匹配时,回流功率会显著增大。提出一种双重移相的多目标优化控制方法,对双重移相控制的工作原理进行分析,推导出对应的输出功率和回流功率的关系式,以此搭建数学模型,并基于该模型对回流功率进行优化;以KKT作为条件,针对回流功率的最小化问题,解出内外移相角的最优组合;为了迅速改变当前的传输功率,通过虚拟电压补偿方法来实现,从而达到优化系统回流功率的目标;通过MATLAB/Simulink仿真对该方案与传统SPS(单移相控制)方案、传统DPS方案进行对比分析,验证了该方案的有效性及优越性。

双有源桥DC-DC变换器虚拟仿真实验平台设计

为了消除实验过程中因硬件平台故障引起的实验失败,快速验证各类控制策略,直观展示实验结果,建立了基于Matlab/Simulink软件下的双有源桥DC-DC变换器虚拟仿真实验平台。平台由GUI与Simulink工具箱内仿真模型构成,GUI界面简洁明了,通过波形显示的方式直接展示实验结果。实验平台内置多种控制策略并可进行二次开发,为学生提供学习该变换器控制策略提供了实例,增强学生对该变换器的了解并激发探索新的控制策略。

死区影响下双有源桥DC-DC变换器的改进型协同三移相控制

双有源桥(dual-active bridge,DAB)DC-DC变换器在传统的协同三移相控制(cooperative triple-phase-shift,CTPS)下,能在消除两侧回流功率的同时取得更优的电流特性和传输效率,但上述优化算法未考虑死区时间对电压、电流以及优化效果的影响。为此,通过分析不同功率段内死区时间对DAB电压、电流波形以及回流功率优化效果的影响,基于电感伏秒平衡特性推导出包含死区的新移相比计算式,建立含有死区的传输功率模型和功率临界点。在此基础上,提出一种改进的协同三移相控制(improved cooperative triple-phase-shift,ICTPS)策略,实现了不同功率段内死区影响的抑制。最后,在搭建的试验样机上进行了对比实验,实验结果验证了关于死区影响理论分析的正确性,以及所提ICTPS控制策略对死区影响抑制的有效性。

双有源桥DC-DC变换器线性自抗扰控制

针对双有源桥DC-DC变换器单重移相控制电流应力大,采用传统PI控制动态特性差等问题,为同时优化变换器电流应力和动态特性,在扩展移相控制下,提出一种线性自抗扰控制结合直接功率控制的电流应力优化方案。通过建立扩展移相各个状态下的数学模型,推导出电流应力的全局最优解,将线性自抗扰控制器引入电压环,与直接功率控制相结合,输出传输功率标幺值至电流应力优化算法中,计算对应移相角。仿真和实验结果表明:新优化控制策略能在减小电流应力的同时提高变换器的动态响应能力。

双有源桥DC-DC变换器回流功率优化策略研究

针对双有源桥DC-DC变换器在功率传输过程中回流功率过大的问题,基于双重移相控制,提出一种分段优化控制策略对回流功率进行优化。通过定义功率分段点,对输出功率进行分段。当输出功率低于功率分段点时,电路实现零回流功率运行;当输出功率高于功率分段点时,电路实现最小回流功率运行。最后,搭建了1台250 W的实验样机。实验结果表明,与传统移相控制方式相比,分段优化控制策略能有效减少双有源桥DC-DC变换器的回流功率,提高电路工作效率。

基于FPGA控制的双有源桥DC-DC变换器仿真实验平台设计

介绍了一种基于FPGA控制的逆变器仿真实验平台设计。该设计运用半实物仿真技术,在FPGA中虚拟出双有源桥DC-DC变换器(DAB)有关的实验平台,由FPGA、DSP和上位机三部分组成。FPGA采用SparkRoad FPGA,用来在内部虚拟出一个DAB变换器电路,接收控制器发来的信号,处理仿真器内部信息,最后将结果上传至上位机系统;DSP采用TMS320F28335,用来产生模拟DAB变换器电路中的IGBT开关信号,并将开关信号以PWM波的方式传给FPGA进行处理;上位机采用的是个人电脑,用来与另外两部分进行串口通信。通过性能测试,该设计达到了预期的功能。

基于改进模糊PI控制的双有源桥DC-DC变换器

在直流微电网中,针对直流负载扰动的过程会造成直流电压动态响应速度缓慢;同时,负荷投切时会引起直流电压超调量大的问题。采用改进模糊PI控制,并将其应用在直流微电网中储能单元的双有源桥DC-DC变换器。首先,在现有模糊PI控制中加入预处理环节,该环节对直流电压的误差大小进行及时判断与跟踪,使直流母线电压迅速达到参考值,提高了直流电压的动态响应速度;其次,分析了现有模糊PI控制算法的规则表对参数调节过程中存在精确度不足的规则,对其进行修改得到改进模糊PI控制的规则表,以减小直流电压的超调量;最后,对所提的改进模糊PI控制进行仿真对比验证。仿真结果表明:对现有的PI控制器和模糊PI控制器而言,改进的模糊PI控制器在稳态响应速度、超调量以及抗干扰性能上得到显著提高,提高了直流母线电压质量。

一种基于损耗模型的双有源桥DC-DC变换器效率优化方法

对双有源桥DC-DC变换器(DAB)系统中的各部分损耗进行建模,并依据此模型,以提升效率为目标,对DAB系统进行优化设计。首先,介绍单移相调制策略下的DAB工作原理,并推导漏电感电流有效值的解析表达式。为突出DAB的电流波形特征,引入电压转换比的概念,这一概念与变压器匝比相关。然后,介绍损耗建模方法。DAB系统的损耗主要分为两部分,一部分源于半导体器件;另一部分源于高频隔离变压器及电感。两者的损耗数值不仅由本身的材料特性决定,同时与运行工况紧密相关,如传输功率、电压、电流等。将单移相调制下的DAB电流、电压波形特征,与器件和变压器的本身特性结合考虑,解析建立DAB的稳态损耗模型。并在此基础上,通过数值计算的方法,对电压转换比进行优化设计,同时优化移相比的选择,增强软硬件的适配性,提升DAB的整体效率。最后,通过实验对所建损耗模型及优化方法进行了验证。

结合电流应力优化与虚拟电压补偿的双有源桥DC-DC变换器三重移相优化控制

为了同时减小双有源桥(DAB)DC-DC变换器的电流应力和提高动态响应速度,该文在建立三重移相下六种模式的传输功率、电流应力等工作特性模型的基础上,提出一种基于三重移相的结合电流应力优化与虚拟电压补偿的控制方法。该方法由电流应力最优移相角模型和虚拟电压补偿方法构成,通过KKT条件获取电流应力最优的移相角模型,结合虚拟电压补偿方案估算传输功率值以提高负载突变及输入电压扰动时的动态响应速度。该方法在保证电流应力优化的同时,能够实现快速的动态响应,并且参数易于调节,可移植性好。最后,搭建了一台小功率样机进行三种方案的对比实验,验证了该文控制方法的正确性及优越性。

基于傅里叶级数建模的双有源桥DC-DC变换器电流有效值分析

采用傅里叶级数求和的方法建立双有源桥DC-DC变换器在移相控制下统一的数学模型,针对双有源桥DC-DC变换器直流侧电压不匹配时在传统单移相控制方式下电感电流有效值过大的问题,提出了优化电感电流有效值的双重移相控制方式。对工作在升压、降压、电压平衡状态下的双有源桥DC-DC变换器在传统单移相、双重移相控制方式下电感电流有效值随传输有功功率变化的情况进行对比分析。在此基础上根据变换器工作在升压、降压状态,提出对应的双重移相控制方式,以达到优化电感电流有效值的目的,使工作在该状态下的变换器具有更小的通态损耗,提高了变换器的效率。实验验证了该双重移相控制方式的有效性和优越性。

基于动态矩阵控制的双有源桥DC-DC变换器电流应力优化策略

为了提高拓展移相控制的双有源桥DAB(dual active bridge)DC-DC变换器的电压动态响应性能,降低系统的电流应力,利用使电流应力最小的优化相移比与输出电压之间的关系,提出了一种将电压动态矩阵控制DMC(dynamic matrix control)算法与变换器电流应力优化方法相结合的控制算法,并从预测模型、滚动优化和反馈校正3个环节详细介绍了DAB的DMC电压预测控制的具体实现过程。最后,将所提控制方法与电压闭环PI控制的拓展移相电流应力优化算法进行了仿真比较。仿真结果表明:该方法不仅减小了电流应力,而且在变换器启动阶段、输入电压突变和负载突变时大大改善了变换器的电压动态响应性能。

扩展移相控制的双有源桥DC-DC变换器的优化控制策略

该文将扩展移相控制下的双有源桥DC-DC变换器分为0≤D1≤D2≤1与0≤D2<D1≤1两种工作模式,分析扩展移相控制下的电流应力特性与零电压导通特性,推导在此控制方式下全功率范围内实现最小电流应力的优化方案,该方案能使所有开关管在全功率范围内实现零电压导通。对比该方案与现有的扩展移相控制方案、双重移相控制方案、三重移相控制方案的电流应力优化效果与零电压导通特性。同时,该文将双有源桥DC-DC变换器的稳态性能与动态性能的优化相结合,为增强其动态性能,提出环内直接功率控制方案,该方案与最小电流应力控制方案同时作用,当运行状况发生变化后,在保证对电流应力优化的同时,能实现快速的动态响应。最后通过实验结果验证该方案的有效性。

双有源桥DC-DC变换器最小回流功率控制策略

针对回流功率造成的双有源桥DC-DC变换器运行效率低的问题,在双重双向内移相调制策略的基础上,提出了一种最小回流功率控制策略。该控制策略通过寻求最优的移相比组合,实现了全功率范围内最小回流功率控制。介绍了双重双向内移相的工作原理并建立其传输功率以及回流功率的数学模型,提出了最小回流功率控制策略,最后通过试验验证了控制策略的有效性。

基于开关组合规律的双有源桥DC-DC变换器传输功率特性

双有源桥DC-DC变换器(DAB)采用移相控制时拥有三个互相独立的移相自由度,通过DAB一次侧、二次侧输出电压的解耦,将三个移相自由度任意组合下的DAB工作状态划分为12个模式。对12个模式的传输功率分别进行计算,推导各模式下传输功率的取值范围,并在此基础上对三重移相控制下DAB的传输功率特性进行研究。通过对三个移相自由度做一些特殊赋值,三重移相控制可以简化为单重移相控制、拓展移相控制和双重移相控制,研究这四种移相控制方法的传输功率范围,并对它们功率传输的灵活性进行比较。最后,通过实验验证了理论分析结果。

基于双重移相控制的双有源桥DC-DC变换器的软开关

通过分析双重移相控制下双有源桥DC-DC变换器的工作模式与各桥臂IGBT实现软开关的约束条件,得出了满足软开关条件的高频变压器漏感参数设计方法与死区时间限制条件;根据变换器稳态运行各阶段电路状态数学模型的分析,实现了通过对电路参数的优化设计降低变换器开关损耗,从而提高双有源桥直流变换器的效率。最后,根据理论推导结果设计变压器漏感并试验,试验结果表明所提出的设计方法对增加软开关实现范围和提高变换器效率的有效性。

双有源桥DC-DC变换器的模态分析方法

双有源桥(dual active bridge,DAB)DC-DC变换器在其控制的灵活性与分析的简便性之间存在不可规避的矛盾,即控制自由度越高,分析越复杂。针对这一问题,该文提出从基础电路解析的角度对DAB的工作模式进行重塑,从而在提高其控制自由度的同时降低分析的难度。首先,根据实际开关电路的特点,对单移相控制(single phase shift,SPS)下DAB的所有工作模态进行分析与重新定义,并基于模态分析对回流功率产生的电路本质进行解释。其次,详细阐述从模态角度抑制回流功率的分析方法。所采用的方法简化了DAB工作过程与功率传输特性的分析,对降低工程分析与设计难度具有较好的价值。最后仿真与实验验证分析方法的正确性。