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。

基于PWM+移相的双有源半桥DC-DC变换器分析及其控制

该文针对双有源半桥(DAHB)DC-DC变换器宽电压范围运行下电容电压计算不准确、单移相控制粗放等不足,提出一种基于PWM+移相的三自由度优化控制(TFC)策略。首先,基于DAHB的数学模型,推导桥臂串联电容稳态电压表达式。在此基础上,从最小化回流功率角度得到三自由度控制的最优开关模式,推导了电流、功率等关键电气量的解析表达式,并获得以电流应力最小化为目标的包含等式和不等式约束的局部最优解方程组。其次,针对最优方程组难以解析求解的问题,采用模型简化+线性近似的方法求取其局部最优解,得到DAHB全工况PWM+移相的三自由度优化控制策略。然后,分析所提出的三自由度优化控制下DAHB变换器的软开关特性。最后,通过仿真及实验验证了桥臂串联电容稳态电压表达式的正确性和三自由度优化控制策略的有效性。

基于等效励磁电感的SiC串联器件型中压双有源桥变换器的软开关技术

基于SiC串联器件的双有源桥变换器因具有开关损耗小、功率密度高、能量控制简单等优势,有望成为中压变换场景中实现高频隔离的优选方案。为保证SiC串联器件的可靠均压,各器件上并联大容值缓冲电容,然而该设计使变换器在传输功率较低时难以实现零电压开通,严重影响变换器的整体效率和串联器件的可靠运行。该文通过构建SiC串联器件型中压双有源桥变换器多模态运行模型并深入分析其运行特性,提出一种基于等效励磁电感的无源软开关技术。所提技术可通过优化外接传输电感位置的方式实现中压侧等效励磁电感参数调节,从而在无额外控制前提下实现SiC串联器件的软开关范围扩展。最后,设计了4 kV/1 kV实验样机,实现了100 kW下运行。实验结果显示,所提出的软开关技术能显著地扩展变换器中SiC串联器件的软开关范围,在保证SiC串联器件均压稳定性的同时能够大幅降低变换器在轻载运行时的功耗。

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。

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。

基于LQR的三有源桥变换器控制

针对三有源桥变换器解耦控制中工况远离稳态点解耦矩阵变化时控制性能较差的问题,提出一种基于线性二次型调节器(LQR)的三有源桥变换器控制方法。通过电路等效变换和端口功率传输方程建立状态空间模型,进一步设计基于状态反馈的LQR控制方法,在实现功率潮流控制的同时保持端口电压的稳定,通过仿真控制验证所提出方法的控制性能,对比传统PI解耦控制,在工况变化时,该控制方法具有更好的动态性能。

三有源桥变换器开关开路故障诊断与容错运行策略

作为一种典型多端口变换器,三有源桥(triple active bridge,TAB)DC-DC变换器广泛应用于分布式直流系统中,其开关器件开路故障将严重影响系统运行。为降低开关故障带来的影响,该文提出TAB变换器开路故障诊断方法与容错运行策略。首先,分析TAB变换器正常运行特性以及开关管开路故障暂态过程,提出利用TAB变换器各桥臂中点电压平均值实现开路故障定位。通过闭锁故障开关所在桥臂的驱动信号消除开路故障导致的直流偏置;然后,分析闭锁状态下TAB变换器的运行特性,确定能够保证TAB变换器实现开路故障容错运行的移相角范围,当开路故障发生于直流母线侧,调节移相角使得直流母线吸收功率,当开路故障发生于储能侧时,调节移相角使故障储能切除。实验结果验证所提方法可准确快速实现各开关管开路故障诊断,并实现容错运行,提升TAB变换器的可靠性。

基于电流应力优化和6脉波调制的双有源桥AC/DC变换器控制策略

针对双有源桥(dual active bridges,简称DAB)AC/DC变换器,该文提出基于电流应力优化和6脉波调制的双有源桥AC/DC变换器控制策略.DAB和三相逆变器(three phase inverter,简称TPI)是双有源桥AC/DC变换器的两个关键单元.对DAB采用电流应力优化,对TPI采用6脉波调制.仿真实验结果表明:相对于单移相(single phase shift,简称SPS)调制策略,该文策略的电感电流的峰值更小,即能更有效地降低电流应力.因此,该文所提策略具有优越性.

一种双有源桥变换器单侧非对称占空比调制策略

针对双有源桥变换器在单移相调制策略中宽电压范围情况下的低效率问题,文中提出了一种单侧非对称占空比调制策略,显著的提升了双有源桥变换器的效率,尤其是在轻载情况下。首先描述了单侧非对称占空比调制方式的原理,并根据控制自由度的关系得到了两种工作模式。第二,基于时域分析,推导了两种工作模式的稳态特性,包括电感电流以及传输功率。第三,为了寻求控制自由度的最优组合,选择电感电流峰峰值作为优化目标,应用KKT条件得到了最优的单侧非对称占空比调制策略。最后,搭建了一台基于碳化硅器件的双有源桥变换器实验平台,实验验证了单侧非对称占空比调制策略的有效性。

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%。

计及二次侧开关开路故障的半有源桥变换器多模式容错运行策略

半有源桥(S-DAB)变换器广泛适用于电动汽车充电、光伏发电等仅需单向功率流的多种场景。针对二次侧开关开路故障,为了提高S-DAB的可靠性,需要采取容错运行策略抑制故障电流保证高可靠性运行。该文分析S-DAB正常运行模式的工作原理。在此基础上,提出S-DAB变换器二次侧开关发生开路故障时故障诊断与容错单有源桥(SAB)运行方法。所提出的故障诊断策略只需要一个额外的电压传感器能够识别二次侧故障开关位置。在实现故障定位后,基于所提容错SAB方法,能够保证开路故障后,变换器仍具备一定的功率传输能力。所提方法能够以较低的成本提高变换器容错运行的可靠性。实验结果验证了所提出的故障诊断策略与容错SAB模式的有效性。

双有源桥型电力电子变压器电磁暂态实时低耗等效模型

电力电子变压器(PET)是柔性直流配电网中电能变换的关键设备。受仿真资源限制,现有PET电磁暂态(EMT)实时仿真规模较小,无法满足大容量系统硬件在环测试与快速仿真需求。文中提出一种双有源桥(DAB)型PET实时低耗等效建模算法。首先,深入挖掘了DAB高频链端口解耦模型的二值输入导纳特性,并从数值分析与物理意义两个层面进行了阐述。以此为基础,构建了具有N+1特性的PET高频链端口解耦模型。其次,提出了基于有限存储的低内存占用EMT解算方案、紧凑型低延时仿真框架、分组并行流水线计算硬件实现方案,降低了所提等效模型在实时仿真中对存储内存、计算时钟和硬件资源的需求。最后,在RT-LAB中完成了基于Verilog语言的250 ns实时低耗等效仿真模型开发,并进行了所建模型仿真精度和资源利用率测试。

双有源桥串联欠谐振变换器的最小回流电流控制

该文采用时域分析法对双有源桥串联欠谐振电路进行了分析,得到电感电流在稳态时的表达式并推导所有开关管实现软开关的条件。由于电压增益偏离1时仅采用移相控制难以实现所有开关管的软开关,因此,该文在传统移相控制的基础上,引入额外的变频控制策略,使得电路在不同的电压增益和负载条件下都能有较好的软开关性能。然而,软开关的实现会增加电路的回流电流,影响电路的传输效率。该文对所提出的变频移相控制进行了进一步的优化,使其可以在确保电路实现软开关的同时产生最小的回流电流和电感电流有效值。所提出的控制策略在一台2 kW的样机中进行了验证。

双有源桥串联谐振变换器的暂态过程与控制

基于移相控制的双有源桥串联谐振变换器(dual-bridge series resonant converter,DBSRC)在传输功率的快速调控过程中,移相角将发生较大的阶跃变化,导致谐振腔出现大幅度长时间的振荡过程,不仅严重恶化了变换器的动态性能,电路元件也会面临严重的过电压和过电流风险。该文首先基于基波分析法推导DBSRC暂态过程的通用计算模型,分析暂态过程中的振荡特性,精确估算暂态过程中的谐振电压峰值、谐振电流峰值以及暂态过渡时间,评估暂态过程中的过电压与过电流程度。基于暂态过程计算模型,提出一种振荡的抑制方法,使变换器在一个开关周期后能够到达新的稳定状态,有效地避免了过电压与过电流的风险,并且大幅改善了闭环控制的动态特性。最后,通过仿真与实验结果验证理论分析和所提出的控制方法。

基于周期组合序列调制的三电平双有源桥均压策略

应用在双极性直流微电网(BDC-MGs)的三电平双有源桥(TL-DAB)变换器,在匹配多类型不平衡负载运行时,输出侧正负母线电压的不平衡将影响系统稳定运行。该文首先分析不平衡负载工况时TL-DAB变换器输出侧上、下端口分电容电压的不均衡原因,并提出一种基于功率传输与电压均衡的周期组合序列调制策略。该均压策略无需附加额外电路和储能器件,仅通过改变功率传输的周期数及单周期内端口电平脉宽占比,便可实现输出侧上下端口传输功率的差额分配以达到分电容电压的均衡。仿真和实验结果表明,在上下分电容负载极不平衡工况下,相对于传统对称调制策略,该文所提均压策略可以将电压不均衡度从12%降低至1%以下。

输入串联输出并联型三电平双有源桥变换器功率与电压平衡控制策略

针对三电平半桥型输入串联输出并联(ISOP)型双有源桥(DAB)变换器的各模块参数差异而导致的模块功率不均衡传输问题,该文首先分析多模块功率不平衡原因,然后提出基于三重移相(TPS)调制的串联侧功率平衡策略。针对ISOP系统多模块间参数差异问题,提出多模块参数差异估计方法,该方法无需增加额外的电流或电压传感器,通过注入强制分量作为扰动而采集反映模块差异的特征量变化,对控制量进行补偿实现多模块功率平衡。仿真和实验结果表明,在多种扰动条件下,所提功率平衡方法可实现样机串联侧均压,在输出电压24V工况和10~435W功率范围下,系统在所提控制策略下能明显提高串联侧的电压平衡,工作效率达到90%以上。

基于模型前馈的双有源桥变换器优化控制

双有源桥直流变换器功能上是一个有效可靠的电压源,在输出负载变化的情况下提供快速的动态响应是非常重要的。为了提升变换器的稳定性和动态性能,提出一种基于模型前馈的优化控制策略。首先,推导了变换器的降阶平均模型并对模型的精度进行了验证;其次,通过变换器的小信号模型及传递函数分析了控制器参数对系统稳定性的影响;然后,采用模型前馈与反馈的控制方法对系统的动态性能进行优化,结果表明基于模型前馈的控制策略能有效提升负载变化时的动态响应速度;最后,通过仿真和实验验证了所提策略的有效性和可行性。

适用于柔性互联的电流源型双有源桥高频环节频域建模及设计

中低压柔性直流互联可提升配电网的灵活性和可靠性,双有源桥变换器是柔性互联装备中实现电压变换和电气隔离的关键环节。电流源谐振型双有源桥利用直流电容参与谐振和软开关设计,可大幅提高双有源桥功率密度和效率。然而,电流源谐振型双有源桥和传统电压源谐振型双有源桥特性存在较大差异,谐振腔由直流谐振电容和交流侧谐振电感组成,导致高频电流时域建模复杂,影响零电流软开关(ZCS)频率设计,难以得出ZCS开关频率与谐振频率的解析表达式。从频域角度,提出了基于基波分量的高频隔离环节等效电路建模方法,建立了ZCS开关频率与谐振频率的解析关系,仿真结果验证了所提方法的有效性和准确性。

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。

考虑死区效应的双有源桥直流变压器损耗优化

死区效应导致双有源桥(DAB)变换器的功率传输特性及零电压开通运行范围偏离理想模型,建立考虑死区效应的稳态模型对DAB优化控制具有重要意义。文中详细分析了死区中的电路模态以及模态间的转换过程,提出基于状态机的死区计算模型,实现了SiC MOSFET不完全零电压开通现象的定量分析。提出基于离散时间序列方法的DAB稳态计算模型,降低了建模复杂性,实现了三重移相控制下死区状态的准确计算。受益于DAB稳态模型的计算速度,基于参数遍历优化方法实现2 kV/150 kW直流变压器模块的全工况损耗最优控制。采用3.3 kV碳化硅器件搭建了150 kW直流变压器模块样机,在损耗最优控制策略下10%至100%功率范围内的效率大于98.0%,峰值效率达到99.3%。