基于多重化DC/DC变换器的储能变流器研究

为了满足越来越大的储能系统规模对大功率储能变流器的需求,将多重化DC/DC变换器引入储能变流器的拓扑结构。对多重化DC/DC变换器的电流纹波及谐波特性的分析表明其具有显著优势。储能变流器的控制策略加入基于直流母线电压的下垂控制。对所研究的储能变流器拓扑结构及控制策略进行仿真并搭建样机。仿真和实验结果表明,所设计的基于多重化DC/DC变换器储能变流器性能具备大功率充放电的功能并且性能优良。

模块化高压大容量DC/DC变换器综述

随着新能源发电占比增加和电网规模的不断扩大,直流输电系统的容量不断提升,含有不同电压等级的直流电网是未来发展的必然趋势。在此背景下,DC/DC变换器作为直流电网关键设备,在多电压等级互联场景中发挥着重要作用。文中首先对已有的模块化高压大容量DC/DC变换器进行归纳、分类和比较,然后阐述了目前模块化高压大容量DC/DC变换器的拓扑结构、工作原理与特点,并针对其特点提出了不同变换器的适用场景,最后对未来的研究方向提出了建议。

三角形模块化多电平DC/DC变换器研究

DC/DC变换器是双母线直流微网中的接口变流器,在能量转换中起重要作用。因传统DC/DC变换器具有器件应力高,电压增益低等缺点,导致其不适用于中高功率场合。模块化多电平DC/DC变换器通过模块串并联方式降低器件应力,提高电压增益,适用于中高功率场合。本文以三角形模块化多电平DC/DC变换器作为研究对象,对电路拓扑结构与工作原理进行分析,该电路所有模块可实现均压均流,电路功率均分至各个模块。针对电路中变量相互耦合的关系,研究设计解耦控制策略,实现两级间的变量解耦;针对非交错调制方式下电压纹波大的特点,提出不同级间交错调制方式,在所提方式下电路拥有良好的动静态性能,并且可以有效降低输出电压纹波。通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型,仿真结果验证了解耦控制策略及调制方式的可行性及有效性,提高了电路动态特性及输出直流电能质量。

并联DC-DC变换器网络控制系统的信号量化研究

针对并联DC-DC变换器网络控制系统(NCS)因无法及时处理冗长信号而导致系统均流输出性能较差的问题,结合滑模控制(SMC)策略提出一种NCS均匀量化设计方法。以并联Buck变换器为例,首先设计了其主从均流SM控制系统;后在连续域内对含SMC的NCS进行均匀量化设计,并根据量化误差分析了系统的稳定性能;再考虑到变换器在实际数字控制系统中的应用,采用零阶保持器研究了均匀量化SMC系统的离散化效应并给出了稳定性条件;最后,利用仿真分别分析了连续和离散域中不同参数条件下系统的输出性能,得到当量化步长与采样时间分别取0.1与0.1 ms时系统输出性能最优,并在该最优参数下进一步通过实验证明,所设计均匀量化SMC系统能够将并联Buck变换器的输出电压与均分电流稳态误差分别控制在0.117 V与0.008 A内,验证了所提设计方法的正确性。

基于模型化编程的双向DC/DC变换器创新实验平台

能源互联网中存在越来越多诸如电动汽车等具有“源”“荷”双重身份的电力设备,这类设备大多采用双向DC/DC变换器实现双向功率流动。为了使实验教学紧跟专业技术发展前沿,结合双向Buck-Boost电路和模型化编程手段,完成了双向DC/DC变换器创新实验平台的设计。以电感电流为参考分析了Buck-Boost电路的双向工作模态,对实验平台硬件电路进行了详细设计,并介绍了典型控制策略的模型化软件设计。在此基础上,设计了光伏发电最大功率点跟踪(MPPT)控制实验案例。典型控制实验和光伏发电MPPT控制实验结果验证了实验平台的软硬件设计,也体现出平台的灵活性。

一种可实现双向故障闭锁的双极Y型模块化多电平直流变换器

直流电网互联通常采用隔离型高压大功率直流变换器,但其存在体积大、成本高及传输效率较低等问题。该文提出一种双极Y型模块化多电平DC/DC变换器,其避免使用中间变压器,实现直流功率双向传输,并且可以有效闭锁双向直流故障。首先分析了变换器拓扑结构及故障闭锁工作原理,并根据桥臂内电势等效原理建立了数学模型。基于变换器臂间、相间能量平衡约束,在闭环控制的基础上引入桥臂电流补偿控制,提升变换器暂态性能。最后,在Matlab/Simulink搭建了采用模块化多电平DC/DC变换器(modularmultilevelDC/DCconverter,DC-MMC)的直流输电系统仿真模型,通过对端口电流、桥臂电流及桥臂电容电压等动态指标的分析,验证了所提DC-MMC双向功率传输控制及双向故障闭锁能力的可行性和有效性。

多重化双向DC-DC变换器电流纹波分析

在电能变换装置中,通过并联DC-DC变换器来增大功率是常见的方法;而其电流纹波对装置的体积和重量有重大的影响。在时域内依据单个DC-DC变换器和多重化双向DC-DC变换器电流波形特征,在单个DC-DC变换器电感电流连续状态下导出了多重化双向DC-DC变换器与单个DC-DC变换器电流的脉动率比与占空比的定量表达式;在频域内分别对单个DC-DC变换器和多重化双向DC-DC变换器在单个DC-DC电感电流连续、断续状态下的电流利用Fourier级数展开,导出了电流各次谐波幅值与占空比的定量表达式。定量表达式和仿真结果均表明,多重化双向DC-DC变换器与单个DC-DC变换器相比,电流纹波及其谐波明显减小。这些定量表达式为大功率DC-DC变换器拓扑结构和工作点的选择提供依据。

多重化双向DC/DC变换器电流增广控制研究

针对光储分布式发电系统中多重化双向DC／DC变换器结构，提出一种基于输入-输出线性化的增广电流控制方法。首先建立双向DC／DC变换器仿射非线性模型并分析其内动态方程，确定以电感电流为输出的状态空间描述；然后利用非线性变换将输入-输出线性化并引入增广电流反馈机制，根据二阶经典控制系统，设计控制器参数。最后经数字仿真验证该文提出的控制方法可准确、快速、强鲁棒性地跟踪功率指令，消除稳态误差对电网和负荷的不良影响，多重化结构与错相调制有效减小电感电流以及储能充放电电流纹波。

非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的最小化桥臂环流控制

用于中高压直流电压转换和直流电网互联的高压大功率直流变压器一般采用中间交流变压器,存在损耗高和体积大等不足。对一种非隔离型的模块化多电平DC/DC变换器进行了研究,与普通双有源桥式DC/DC变换器相比,避免了交流变压器的存在。首先分析了此变换器的工作原理,建立了变换器的等效数学模型。考虑子模块电容电压存在特殊的不平衡,变换器需要引入交流循环电流,提出了一种保证桥臂功率均衡的最小化桥臂环流的控制策略,减小了桥臂电流的交流分量,降低了变换器的损耗。在Matlab/Simulink中仿真验证了变换器的性能和最小环流控制策略的有效性。最后搭建实验平台进行了实验验证。

多重双向H桥DC/DC变换器的研究

为了满足电池测试设备要具有较宽的输出电压范围的要求,本文采用了一种宽电压范围输出的双向DC/DC变换器电路拓扑,并通过对基本单元的多重化并联,达到了减小电流纹波、电流谐波含量和系统体积的目的。文中详细分析了多重双向H桥DC/DC变换器的工作原理、参数设计和控制方法。本电路应用于100kW动力锂离子蓄电池测试设备中。样机实验结果表明,本设计能够实现极宽的输出电压范围,具有较小的电流纹波,验证了设计的正确性。

一种基于子模块混合型模块化多电平换流器的高压大功率DC/DC变换器

针对构建未来多电压等级多端直流电网的技术需求,提出一种基于子模块混合型模块化多电平换流器的高压大功率DC/DC变换器,并建立了相应数学模型。该拓扑主要由半桥子模块和一种新型的、具有故障电流阻断能力的T型全桥子模块构成,进一步提高了经济性。在此基础上,设计了高压大功率DC/DC变换器的调制策略和电容电压平衡策略,利用T型全桥子模块负电平输出实现直流电压下降时变换器的正常工作,保证多电压等级互联直流系统的降压稳定运行。然后分析了高压大功率DC/DC变换器的直流故障隔离原理。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了含高压大功率DC/DC变换器的直流试验系统仿真模型,通过稳态和暂态仿真分析,结果表明该变换器能够实现降压运行并具有直流故障隔离能力,在未来多电压等级多端直流电网中具有良好的应用前景。

一种模块化多电平DC/DC变换器的基频调制策略

电气拓扑采用模块化多电平技术的高压大容量DC/DC变换器是构建直流电网的关键装备之一。与柔性直流输电系统中的工频运行工况不同,基于模块化多电平的DC/DC变换器可运行于中/高频。若仍采用工频工况下的最近电平逼近调制策略及电容排序均压,会带来子模块开关损耗大及数字控制系统运算负担重等一系列问题。为此,提出了一种适用于模块化多电平DC/DC变换器的基频调制策略,阐述了基频调制的基本需求及其实现方法,提出了与基频调制相应的电压及电压增量双排序均压策略,并分析了基频调制策略对子模块电容参数设计的影响。通过仿真和实验对提出的基频调制策略和双排序均压算法进行了验证,结果证明该调制策略能有效降低功率器件开关损耗,改善交流输出电压波形的总谐波失真,缓解数字控制系统的运算负担,并与控制策略具有良好的兼容性。

采用混合子模块的四端口模块化多电平DC/DC变换器

随着电网中可再生能源的大规模接入以及高压直流输电技术的发展,高压大容量DC/DC变换器成为不同电压等级直流电网互联的关键。为解决多端高压直流电网互联的问题,本文以四端直流电网互联为例,研究了四端口模块化多电平DC/DC变换器。针对常规半桥子模块不能实现直流侧短路故障阻断的问题,本文提出交叉连接双半桥子模块与三电平双半桥子模块混合的模块化多电平DC-DC变换器方案,该方案能有效阻断直流故障,且具有较好的经济性。进一步地,给出了采用混合子模块方案的简化模型,用于子模块数量众多时变换器在正常工况以及故障工况下的仿真。最后,通过Matlab/Simulink对所提出的混合子模块四端口模块化多电平DC/DC变换器进行了仿真验证,证实了所提方案的可行性以及简化模型的正确性。

基于三重化DC/DC变换器的光伏直流微网控制研究

以带有蓄电池单元的独立光伏发电直流微网为研究对象,采用一种三重化DC/DC模块作为接口变换器,提出电压外环、电流内环的双闭环来控制接口变换器。仿真与实验结果表明,三重化DC/DC模块能有效地减小电流纹波和电流谐波,实现光伏阵列最大功率点的跟踪以及蓄电池单元能量双向流动,稳定了直流母线电压。

基于数字预测非线性PID的模块化DC/DC变换器研究

模块化设计是提高系统可靠性、维修性,降低生产成本的一种基本方式。本文对模块化的DC/DC变换器进行了建模和仿真,在对几种常规反馈控制算法比较的基础上,提出了一种基于数字预测的非线性PID算法,仿真和实验结果表明,该控制算法的性能较常规控制算法有较大的提高。最后设计了基于DSP的系统软、硬件部分,并给出了实验结论。

用于直流电网的大容量DC/DC变换器研究综述

发展高压直流电网是解决电能大容量远距离传输及大规模可再生能源汇集的有效手段,高压大容量DC/DC变换器是实现不同电压等级的直流电网线路之间互联的关键设备,也是制约直流电网推广的主要技术瓶颈之一。然而已发表的研究工作主要集中于DC/DC变换器在中低压小功率应用,其在高压大容量场合的应用研究较少。为此,首先分析了高压直流电网对大容量DC/DC变换器的技术需求,然后系统回顾了高压大容量高增益DC/DC变换器拓扑的国内外研究现状,并总结了各类DC/DC变换器的特点及其在未来高压直流电网中的应用前景。在此基础上指出了高压直流电网用的大容量DC/DC变换器亟待研究的关键问题。所述内容为未来高压直流电网技术的研究和工程化应用提供了一定的技术参考。

输入串联输出串联型双向DC/DC变换器自适应均压控制策略研究

多模块输入串联、输出串联（input-series output-series,ISOS）型双向DC/DC变换器尤其适用于如直流电网等输入、输出电压等级都较高的场合,模块间的输入/输出侧能否均压是制约其可靠运行的关键问题。提出了一种基于输入/输出侧电压双下垂的自适应均压控制策略。该控制策略利用电感电流补偿值与输入/输出电压之间的下垂特性实现了自适应均压控制,但下垂控制会带来不可避免的静差问题。补偿改进控制策略消除了静差并进一步提高了系统模块化程度,改进后,输入/输出侧均压效果和动态性能良好。利用小信号建模分析系统稳定性,通过根轨迹分析得到控制参数稳定范围,最后通过仿真和实验验证了策略的可行性。

新型混合式高压直流输电DC/DC变换器

针对高压直流电网中现有DC/DC变换器拓扑在成本、效率方面的不足,提出了一种基于模块串联技术以及晶闸管、二极管串联技术的混合式DC/DC变换器拓扑,以实现高压直流电网中不同电压等级的互联。对该拓扑结构的工作原理、控制策略、元器件参数设计、经济性等方面进行了全面的分析论证。最后,在MATLAB中进行了仿真,验证了所提DC/DC变换器的可行性。

基于模块化多电平拓扑的双向DC/DC变换器研究

讨论了一种基于模块化多电平拓扑的双向直流变换器,这种电路继承了模块化多电平转换器的优点,具有容易模块化和冗余设计等优势。同时分析了这种电路的拓扑以及调制方法,并对其中的两种调制方法进行了仿真实验。

双向AC/DC变换器的单相系统控制与建模

基于单相双向AC/DC变换器的状态空间平均模型及输出波形特点,提出一种适用于建立系统控制模型的"平均值分离法"和"半周期平均法",通过解析分析和线性化处理,推导出其有关交流侧电流幅度和直流侧输出电压的传递函数模型和离散化控制模型,并进行稳态理论分析,为系统设计提供依据。通过样机实验波形证实了所得控制模型及理论分析结果的正确性与可行性。