跟网型变换器的小扰动同步稳定机理分析与致稳控制

弱电网下,跟网型变换器易出现因阻尼不足导致的小扰动同步失稳问题。为此,该文借鉴复转矩分析理论,计及复杂控制耦合,建立跟网型变换器的复转矩模型。量化多环控制耦合、线路阻抗、控制参数等因素对系统阻尼转矩的影响,从阻尼的角度揭示跟网型变换器的小扰动同步失稳机理。根据理论分析,提出一种基于相位补偿的锁相环阻尼重塑控制策略,通过补偿多环控制耦合引入的负阻尼,增强变换器的小扰动同步稳定性。最后,开展相应的仿真与实验,验证理论分析的正确性与改进控制策略的有效性。

基于新型CD单元的两相交错并联高增益Boost变换器

为减少基于电容-二极管(CD)升压单元的两相交错并联高增益Boost变换器的CD单元数量,提升变换器电压增益,提出一种最后两级CD单元电容并联充电、串联供电的新型两相交错Boost变换器拓扑结构,进一步发挥CD单元的升压能力。分析新型3CD、4CD两相交错并联Boost变换器的拓扑演化过程,提出新型NCD两相交错并联Boost变换器的拓扑演化规律。以新型4CD两相交错并联Boost变换器为例,分析变换器工作原理,以及电感、电容寄生电阻对变换器电压增益的影响。最后在StarSim硬件在环实验平台搭建1 kW的新型4CD单元交错并联Boost变换器,验证该文所提拓扑的正确性。

一种基于分数阶微积分的CCM Boost变换器准在线无源参数的数字孪生辨识方法

由于具有高性价比、准确性和数字化等优点,数字孪生已成为电力电子变换器故障趋势判断和预知维护的先进技术。针对当前电力电子变换器所建立的数字孪生模型尚未考虑实际电感、电容的分数阶特性的问题,基于分数阶微积分构建电力电子电路的预估-校正数字孪生模型,应用基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法的孪生参数辨识方法对不同分数阶阶次下的电感值(L)和电容值(C)进行辨识,并计算出等效串联电阻。通过与现有方法对比,该方法不仅提高了实际电感和实际电容的辨识精度,还能辨识出不同阶次下与不同C下的分数阶参数。最后,搭建不同L和C及分数阶阶次的连续导通模式Boost变换器物理样机,并考虑不同工况条件与不同辨识次数等因素来进行实验验证。实验结果验证了所提模型与方法的有效性。

分数阶Boost变换器的混沌控制研究

基于电容电感均为分数阶的事实,对分数阶连续导通模式Boost变换器的非线性动力学特性进行分析,提出了基于优化参数共振微扰法的分数阶Boost变换器混沌控制策略。首先,采用预估-校正算法建立了峰值电流控制分数阶Boost变换器的预估-校正模型,通过分岔图详细分析了电路参数对变换器非线性动力学特性的影响。然后,采用优化参数共振微扰法对变换器进行混沌控制,推导了系统的稳定判据,计算了扰动信号的最优幅值与相位。最后,在MATLAB/Simulink中进行仿真实验。研究表明,选择合理的扰动信号,能够有效抑制变换器的混沌现象,使变换器由混沌回归稳定状态。与参数共振微扰法相比,优化后的控制策略提高了系统的鲁棒性。仿真结果验证了所提策略的有效性。

CLLC谐振变换器同步整流软开关失效分析与应对

同步整流(SR)是提高CLLC谐振变换器运行效率的有效方法,但由于功率管寄生电容等因素的影响,同步整流存在软开关失效的风险。因此,为同时实现同步整流和软开关,在变换器副边不控整流的基础上,分析了不同运行状态下同步整流软开关的失效原因,以及软开关实现的有效范围。提出了不同运行状态下的同步整流数字控制方法,可在保证实现同步整流软开关的同时,提高同步整流的运行范围,从而保证变换器在不同运行状态下的运行效率。同时,改进了不同运行状态下同步整流开通和关断时刻的计算方法,使得同步整流的控制无需电流传感器和其他额外硬件电路的参与,可应用于原本无同步整流控制相关硬件的双向CLLC谐振变换器中。搭建了实验平台,验证了所提方法的有效性。

引入负载扰动观测的Boost变换器定频滑模控制

针对传统线性控制方法下Boost变换器存在系统动态性能差和对负载扰动鲁棒性不强的问题,从功率平衡的角度提出1种定频滑模电流控制方法。首先,利用负载电流观测值计算维持输出电压稳定所需的输入功率;其次,通过控制电感电流调整变换器输入功率,从而将系统的状态轨迹限制在对负载扰动具有不变性的滑模面上,保证系统大信号稳定并提升其动态性能;最后,基于等效控制原理,通过PWM技术实现等效滑模控制,避免了传统滑模控制中存在的抖振及开关频率不稳定问题。在Simulink中对Boost变换器负载阶跃变换的工况进行仿真,将所提方法与传统线性控制方法对比。结果表明,采用所提方法,系统的动态性能更好,且能保证系统在负载大范围扰动下的大信号稳定。

基于能量模型的临界导通模式Boost变换器软开关方法

在变换器高频化发展的趋势中,功率器件的软开关实现对变换效率的影响更加突出。无辅助电路的临界导通工作模式下,Boost变换器主开关管在特定增益下无法实现软开关。为此,该文提出一种能量模型及相应的软开关实现方法。首先,建立死区前后储能元件能量变化的数学模型。然后,结合死区起止时刻的能量平衡方程,研究软开关无法实现的电路机理。在此基础上,考虑开关管输出电容非线性特征,提出软开关实现方法,避免了复杂谐振过程的时域精确建模,提高软开关实现的准确性。最后,搭建500W实验样机进行实验,结果表明,相较于对谐振过程建模的传统时域模型,所提方法将实际开通电压降低47%,使峰值变换效率提升0.4%,进而验证了其有效性。

基于预估-校正算法的分数阶Boost变换器倍周期分岔研究

基于电感电容本质是分数阶的事实,对分数阶Boost变换器的非线性动力学特性进行了深入研究。采用分数阶微积分的预估-校正算法,建立了Boost变换器的预估-校正模型,在此基础上得到了以参考电流、输入电压以及电容电感阶数为分岔参数的分岔图,研究了变换器的倍周期分岔和混沌行为,同时与整数阶Boost变换器的非线性动力学行为进行了比较。研究结果表明,在一定的工作条件下,随着变换器某些电路参数的变化,分数阶Boost变换器会出现分岔和混沌等非线性现象;在相同电路参数的条件下,整数阶和分数阶变换器的稳定参数域之间存在差异,与整数阶变换器相比,分数阶变换器的参数稳定区域更小,更真实地反映了Boost变换器的非线性动力学特性。

基于R-L分数阶定义的PCCM Boost变换器建模与分析

研究了基于R-L分数阶定义的电感电流伪连续PCCM(pseudo-continuous conduction mode)Boost变换器模型,并由此导出了变换器的状态平均模型,然后推导出升压比,直流静态工作点,电感电流波纹以及输出电压波纹的表达式。结果表明,与基于Caputo分数阶定义下的变换器模型相应表达式比较,R-L分数阶定义下的直流静态工作点和升压比不仅与占空比相关,而且还与电感和电容的阶数有关,输出电压波纹的表达式不仅与分数阶电感的阶数α有关,与分数阶电容的阶数β也相关。电感和电容的阶数对状态变量的直流分量和分数阶PCCM Boost的稳态特性有很大影响。最后,在MATLAB/SIMULINK中搭建了R-L分数阶PCCM Boost变换器数学模型和电路模型,仿真结果显示R-L分数阶PCCM Boost变换器模型的分析结果比其他PCCM Boost模型的分析结果更加稳定,误差更小。

基于AWF-DPID控制的同步Buck变换器研究

针对当前各种电子设备不断发展对电源管理芯片的精度、速度等要求越来越高的趋势,提出一种基于模糊逻辑的反计算法抗饱和双环PID(AWF-DPID)控制策略,实现同步Buck变换器的恒压限流功能。在双环PID(DPID)的基础上,设计一个二维模糊控制器,实时调整电压环输出参数,在电压环输出设计一个反算法抗积分饱和模块,从而调节Buck变换器的脉冲宽度,更高效精准地实现控制。变换器在10 kHz的频率下工作,给出变换器参数通过软件对不同控制策略进行仿真。结果表明,在实现恒压限流的相同控制目标下,AWF-DPID控制较其他控制响应更迅速、超调量更小稳态误差更小并且纹波系数更小;变输出指令下电压跟随性最好,有良好的动态特性。

永磁同步电机双向DC/DC变换器混合储能设计

为了提高永磁同步电机的发电效率,设计一种永磁同步电机双向DC/DC变换器混合储能方案,并开展性能仿真分析。利用双向DC/DC变换器连接储能部件与负载母线,该变换器的控制性能对系统整体动/静态性能存在明显影响。研究结果表明:在Buck模式下仿真测试得到,双向DC/DC变换器高压侧电流逐渐升高,产生了持续上升的最高输出功率。双向DC/DC变换器与Buck电路达到了合理的参数,能够达到混合储能系统要求达到的稳定性与快速性控制标准。本设计的双向DC/DC变换器主电路与Boost电路各项参数处于较优的状态,能够实现对混合储能系统进行稳定高效控制的目标。电感与电容值满足系统运行要求,可以实现双向DC/DC变换器的快速响应,能够快速控制电流值,并获得稳定的电压参数,能够满足优异的动态调控性能。

基于共同二次Lyapunov函数的频率可控的Boost变换器切换律

针对最小型切换律开关频率过高难以应用于工程实际的问题,建立了Boost变换器CCM运行的切换系统模型,基于共同二次Lyapunov函数提出1种新的切换律。根据切换律的数学表达式,分析变换器的稳态性能及动态性能,描述该切换律对变换器开关频率的调节机制。仿真及实验表明,在该切换律的作用下,Boost变换器开关频率可控,不会出现切换系统特有的芝诺行为,且与现有控制策略相比,变换器的动态性能好,在受到外部扰动时电压波动更小,调节时间更短。

基于氮化镓的反激同步整流DC/DC变换器设计

给出了一种适合低轨商用航天的中小功率DC/DC变换器的设计方法。该方法采用了反激同步整流拓扑和表贴器件,可以覆盖常见的航天用中小功率单路及多路输出DC/DC变换器需求,具备低成本、高性能、高可靠、可批量化生产的优点。为了进一步提高转换效率和功率密度,还应用了氮化镓GaN(gallium nitride)功率开关。并且对不同工作条件下拓扑中主要功率器件的损耗进行了计算和对比分析。最后,以一款宽输入电压范围(23~47 V),输出5 V@30 W的电源变换器为例对所提方法进行了验证。

四相交错Boost变换器的解耦均流控制方法

交错并联Boost变换器通常采用双闭环控制输出电压,均流环平衡电感电流。但是,在变换器的控制过程中,双闭环与均流环往往存在耦合问题。为此,提出了一种主从均流解耦的控制方法,削弱双闭环与均流环控制时的耦合关系。首先,介绍了四相交错并联Boost变换器的拓扑结构及工作原理,建立小信号数学模型,并推导出传递函数;其次,阐述了双闭环与均流环的解耦的条件,提出了一种双闭环与均流环的解耦的控制策略,实现双闭环与均流环之间的解耦;最后,在PSIM中搭建了四相交错并联Boost变换器仿真平台,进行四相交错并联控制。仿真结果表明,采用主从均流解耦的控制方法后,输出电压波动明显降低,证明了所提方法的可行性和有效性。

Boost DC-DC变换器连续导电模式解析

DC-DC变换器是“电力电子技术基础”课程的重要入门变换器,优选教学内容并合理布局,有助于学生养成良好的学习和思维习惯。根据电感电流的连续性以及负载电阻供电来源的差异性,Boost DC-DC变换器具有多种工作模式,包括连续导电模式(CCM)、临界导电模式(CRM)和断续导电模式(DCM)。其中CCM又可分为电感完全供能模式(CCM-CISM)和电感不全供能模式(CCM-IISM)。在理论分析和推导CCM-CISM与CCM-CISM临界电感表达式基础上,对几种典型工作模式采用Matlab/Simulink进行仿真验证。所得结果有助于加深学生对Booost DC-DC变换器工作原理的理解,引导学生学会深度思考和自行仿真验证随时产生的设想。

具有零电压开关的高升压半桥Boost变换器

为了解决半桥Boost变换器电压增益低、开关管电压应力高、硬开关等问题,通过在半桥Boost变换器中级联一组耦合电感升压结构,提出一种变换器以实现较高的电压增益和较低的开关管电压应力。利用耦合电感的漏感,实现所有开关管零电压开关(Zero-voltage-switched,ZVS)和所有二极管零电流开关(Zero-current-switched,ZCS),有效降低开关损耗。此外,所提出的变换器还具有公共接地和连续输入电流的优点。分析变换器的工作原理,给出变换器的各项性能参数以及变换器开关管实现ZVS导通的条件。对比其他高升压变换器,所提变换器具有较高的电压增益和较低的开关管电压应力。最后搭建一台200 W的试验样机,验证所提变换器原理的正确性。

基于改进LADRC的构网型变换器预同步控制策略研究

针对构网型变换器预同步过程时电力系统频率电压稳定性低导致变换器并网失败的问题,提出一种基于改进线性自抗扰控制(LADRC)的构网型变换器预同步控制策略。首先,采用无锁相环(PLL)控制策略,通过相位偏差的反馈控制对网侧电压的相位和幅值进行快速同步追踪,可避免因PLL精度较低和响应速度慢而引起的电力系统稳定性降低的问题。在此基础上,在有功频率支路模块的角频率输出端引入LADRC,这可以有效解决预同步控制过程中变换器输出电压频率存在过冲的问题,从而确保构网型变换器预同步控制顺利进行最终实现成功并网。最后,在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建基于改进LADRC的构网型变换器预同步控制模型并进行仿真验证,结果表明所提控制策略可以有效抑制系统频率震荡,并能够加速系统预同步进程,确保构网型变换器安全运行最终实现成功并网,仿真结果验证了所提方法的有效性。

应用于储能系统的CLLLC谐振变换器控制策略研究

动态性能和运行效率是CLLLC谐振变换器的重要性能指标。针对传统电压闭环控制加入电流驱动同步整流后系统动态性能进一步变差的问题,提出一种谐振电流内环的电压电流双闭环变频控制策略,并给出双环控制和同步整流的综合控制方法。首先根据变换器的增益特性,分析电感比和品质因数对增益曲线和效率的影响,并据此进行谐振参数设计;其次根据不同谐振状态下的谐振电流特性实现同步整流;最后引入谐振电流内环控制,实现双环控制和同步整流的综合控制。仿真结果表明,所提综合控制策略能够产生精确的同步整流驱动信号,相比于传统电压闭环控制,能够显著改善变换器对负载扰动和电压扰动的动态性能。

输入输出共地型三电平Buck/Boost变换器飞跨电容电压自平衡分析

输入输出共地型Buck/Boost变换器中飞跨电容的平衡机理是变换器正常运行及飞跨电容电压控制的关键。在实际应用中,飞跨电容虽然具有一定的自平衡作用,但是其平衡能力与多种因素有关。在现有的文献中,针对Buck/Boost变换器飞跨电容的自平衡能力与哪些因素相关的问题尚未有深入的分析。因此,基于输入输出共地型Buck/Boost变换器,建立高次谐波模型,定量分析飞跨电容具有自平衡能力的原因;在谐波模型基础上,更进一步分析驱动误差、变换器回路交流阻抗、母线电容、负载电阻及飞跨电容对于飞跨电容平衡能力的影响,指出变换器回路交流阻抗是实际应用中飞跨电容具有自平衡能力的主要因素。最后,在实验平台上对相关分析进行实验验证。

基于可变电感的CLLC谐振变换器

针对CLLC谐振变换器调频范围过宽带来的磁性元件设计困难问题,提出一种基于可变电感的CLLC谐振变换器及其控制策略。分析变换器的电压增益特性以及可变电感的工作原理,设计CLLC同步整流控制电路,采用调频加调感的控制方式完成闭环调节。搭建了CLLC原理样机并验证了所提方案,试验表明所提变换器在各极限工况下均可实现零电压开通(ZVS)并完成电压增益调节,在轻载时具有良好的降压特性,可在大幅缩减调频范围的同时,实现变换器的高效率运行。