基于MPC的耦合电感飞跨电容双向DC/DC变换器功率均衡解耦控制策略

耦合电感功率变换器因耦合电感阻抗、电感值等参数差异易导致功率不均衡。针对耦合电感飞跨电容双向DC/DC变换器,提出一种基于模型预测控制(MPC)的功率均衡解耦控制策略。通过对变换器原理进行分析,建立基于电感电流解耦的数学模型,得到包括电感电流和飞跨电容电压等6个控制变量的解耦控制方法。在此基础上,提出基于MPC的功率均衡解耦控制策略。同时,为降低MPC算法的运算负荷,根据解耦控制模型重构模型预测价值函数,实现各控制变量独立动态寻优,使系统能在稳定控制输出电压及飞跨电容电压的同时,实现两相耦合电感的功率均衡控制。最后,通过理论分析及实验对所提策略进行有效验证。

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。

适用于大型海上风电的谐振型飞跨电容式模块化升压变换器

随着海上风电发电容量的增大与离岸距离的增加,全直流型海上风电系统的优势越发明显。高压DC-DC变换器是该系统的核心部件,承担直流升压与输电的关键功能。对此,该文提出一种适用于大型海上风电的谐振型飞跨电容式模块化升压变换器,不受大功率中频高压变压器制造工艺的限制,无变压器结构使其能工作在更高频率,减少内部无源器件,实现轻量化。在高升压比应用场景中,变换器内部大部分功率器件为二极管,可节省控制单元,并降低成本。与电流连续模式相比,当内部二极管半桥工作在电流断续模式时,该变换器能在仅增加少量通态损耗的前提下实现内部功率器件的软开关。此外,该变换器采用准方波调制时,电流断续模式能避免内部串联二极管承受高dv/dt。最后,通过样机实验验证了该变换器拓扑的可行性与参数设计方法的正确性。

飞跨电容型多电平整流器载波重构调制策略

针对飞跨电容型多电平整流器存在众多冗余开关状态的特性及飞跨电容的电压平衡控制需求,提出一种通用的载波重构调制策略。该策略通过构造多段锯齿形载波来增加调制自由度,在保持与载波同相层叠调制策略相同的线电压谐波性能的同时,还具备载波移相调制策略的飞跨电容电压自平衡特性。仿真与实验结果验证了所提调制策略的有效性。

一种三相双输出有源中点钳位型三电平变换器

该文基于有源中点钳位型三电平变换器(ANPC-TLC)结构,通过每相增加两个开关管形成一种具有两组三相交流电压输出端口的双输出有源中点钳位型三电平变换器(DOANPC-TLC)拓扑。该文详细介绍DO-ANPC-TLC的拓扑结构,对其工作原理进行分析,研究其不同开关状态下的电流路径、输出相电压电平和各开关的电压应力。针对DO-ANPC-TLC结构特点及工作原理,应用一种双输出虚拟空间矢量脉宽调制(DO-VSVPWM)方法,能够独立控制两组交流输出,并保持直流链路电容电压平衡。为了进一步简化控制过程,研究一种基于载波的简化双输出虚拟空间矢量脉宽调制(CB-VSVPWM)策略,在器件损耗和总谐波畸变率(THD)方面,对所提出DO-ANPC-TLC的性能进行分析。实验结果验证了所提拓扑的可行性和调制策略的有效性。

模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电架构研究

随着大容量中压直流配电技术的迅速发展,模块化多电平直流变换器受到工业界和学术界的广泛关注。然而,实现高可靠的辅助供电是实现直流变换器在中压直流配电场景中应用的关键技术瓶颈之一。为此,提出一种面向模块化多电平中压直流变换器的高可靠自供电系统架构。该架构实现主控制器、子模块等辅电系统的中压直联馈电,从而无需额外低压直流电源,并且大幅提升系统启动速度。基于此架构设计,模块化多电平直流变换器的子模块控制器和旁路开关辅助供电均实现3倍冗余,提高系统容错运行的能力。在子模块电容预充电阶段,提出一种基于辅助电源自主控制的子模块电容均压方法,保证模块化多电平直流变换器可靠预充电。最终通过实验验证所提辅助供电系统架构的可行性。

船用690 Vac基于飞跨电容三电平的Buck/Boost双向变换器的预充电控制策略

[目的]针对基于飞跨电容三电平的船用690 Vac双向变换器,为使其能稳定启动并过渡到正常工作状态,必须对飞跨电容进行预充电,因此提出适应于飞跨电容三电平的基于单管控制的预充电策略。[方法]控制基于飞跨电容的三电平外管的通断,对飞跨电容进行高效、快速预充电控制。[结果]将预充电控制策略应用于690 Vac双向变换器,Buck模式于1 s,Boost模式于5 s内完成飞跨电容的预充电,预充电结束后飞跨电容电压保持为高压侧电压的一半,输入侧电容电压保持为输入侧电压。[结论]经过试验验证,所提出的基于飞跨电容的三电平外管通断控制的预充电策略可应用于690 Vac双向变换器装置,不需要外加预充电功率器件,既简化了拓扑,又确保飞跨电容的可靠、快速预充电。

基于定频MPC的飞跨电容储能双向直流变换器低频波动功率抑制策略

为抑制直流母线低频波动功率对储能系统的影响,以飞跨电容双向直流变换器为研究对象,提出基于单目标定频模型预测控制(model predictive control,MPC)低频波动功率抑制策略。为降低传统MPC算法的运算负荷,通过对变换器数学模型进行分析,提出一种单目标定频MPC控制算法。该算法仅需通过电感电流单目标约束函数,即可实现对系统电流及双端飞跨电容电压的控制,无须对两端飞跨电容电压进行独立寻优,极大地降低了计算量。为实现对储能系统低频波动功率的抑制,引入低频波动功率抑制算法,通过与所提MPC算法的融合,使最终控制方案能够在实现储能控制目标的前提下,具备低频波动功率抑制能力,且保持良好的动态性能。通过搭建小功率实验平台对所提控制策略的有效性进行了验证。

基于开关电容和飞跨电容的十七电平逆变器

为减少在输出电平较多时开关电容多电平逆变器的器件数量,提出一种将开关电容与飞跨电容相结合的十七电平逆变器。结合逆变器工作原理,设计相应的调制策略和电压平衡策略,并优化关键电路参数,对开关电容、飞跨电容等3个电容值进行分析设计。该逆变器由开关电容升压单元和T型飞跨电容单元构成,使用3个电容器以及14个开关管实现了十七电平输出和2倍升压,且由单个直流电源供电。与其他十七电平逆变器相比,所提逆变器结构简单,同时避免高压逆变H桥的使用,且在开关数量、总开关电压应力、电容器数量等方面具有较大优势。最后,对该逆变器的稳态和动态性能进行实验验证和仿真验证。验证结果表明,所提拓扑具有较高的转换效率,实验测量范围内最高达到98.4%,且具有较好的并网工作性能。

模块化多电平变换器改进两段式模型预测控制

基于有限控制集的模型预测控制应用于模块化多电平变换器(MMC)时通常会暴露出计算复杂与交流侧输出电流严重失真等问题。提出一种双矢量优化谐波电流模型预测控制策略,即改进两段式模型预测控制,可减少开关状态组合计算量,进一步优化交流侧输出电流。推导了MMC离散数学模型,并构建无权重因子的代价函数,通过计算实际电流与参考电流包围的最小面积重新定义同一周期内两阶段开关信号的占空比,并引入一种附加冗余子模块的方法抑制桥臂环流,接着提出一种败者树多路归并排序算法均衡电容电压。在MATLAB/Simulink平台搭建三相23电平MMC仿真模型验证该策略的有效性。相比于两段式模型预测控制,所提策略的交流侧输出电流跟踪更加精准,谐波畸变率更小。

五电平ANPC变换器多目标优化调制技术研究

针对五电平有源钳位型变换器现有的调制策略存在SPWM直流侧电压利用率低,中点电压控制的计算复杂,SVPWM数字化实现难度大等问题,研究了一种操作简单,满足电压利用率高、中点电位平衡、悬浮电容电压稳定、共模电压较小等多目标优化的五电平新型SPWM调制算法。首先通过研究SVPWM与SPWM的本质联系,将SVPWM等效至PD-SPWM,其次分析不影响中点电位平衡的共模电压抑制边界,重构五电平低幅值共模电压矢量空间,并采用注入零序电压自由选择开关序列、实时切换等效PD-SPWM种类等方法实现多目标优化。最后搭建了实验样机,应用仿真和实验等手段对多目标优化算法进行了验证,试验结果表明在保证中点电压平衡、悬浮电容电压稳定可控的同时,共模电压幅值减小约32.8%,表明了优化的有效性。

模块化多电平变换器的电容电压卡尔曼滤波预测方法

为避免子模块电压互感器发生故障对直流配电网模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)安全可靠运行造成威胁,需为MMC配置备用测量装置。工程上通常为所有子模块配置备用电压互感器以保证高可靠测量,但使得硬件结构较为复杂。为此,文中提出一种适用于中高压MMC测量系统备用模式的电容电压卡尔曼滤波预测方法,并融合快速模型预测控制(fast model predictive control,FMPC)策略提升电能变换稳定性。首先,为各桥臂仅配置一个电流互感器,无需任何电压互感器,并构建卡尔曼滤波观测器,提出卡尔曼滤波预测方法;进而根据电容电压预测值建立FMPC目标优化函数,确定桥臂最优电平数和子模块投切情况,在保证MMC输出电流和环流跟踪性能及电容电压预测准确性的前提下,显著简化测量系统硬件结构。最后,搭建21电平仿真模型和三电平实验平台,通过多个算例和工况验证所提方法的可行性和实用性。

基于电容电压波动补偿的混合型模块化多电平变换器

为了降低模块化多电平变换器的电容体积,文中提出一种基于电容电压波动补偿混合子模块的模块化多电平变换器。首先,介绍所提混合型模块化多电平变换器的系统结构与减小电容体积的机理,同时对混合子模块的投切原则进行详细分析;然后,通过分析混合子模块内部不同电容的能量波动,给出所有电容的容值设计方法,并与传统的半桥型模块化多电平变换器进行对比;最后,通过仿真与实验验证了所提方案的有效性。结果表明,文中提出的混合型模块化多电平变换器能够以较低的开关器件成本,大幅度提高电容能量利用率,降低模块化多电平变换器子模块电容的体积,实现系统功率密度的提高。

多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略

多电平直流变换器利用飞跨电容使得输入电压在串联的各开关管之间均分,以降低各开关管的电压应力。合适的飞跨电容电压是保证多电平直流变换器正常工作并具有良好性能的关键。文中提出一种新颖的控制飞跨电容电压的方案,该方案首先将输出电压与飞跨电容电压解耦,使得控制飞跨电容电压的同时不影响输出电压的调节。继而对飞跨电容电压进行解耦控制,采用这种控制方案有利于分别独立设计各个飞跨电容电压和输出电压的控制闭环。此控制方案通过四电平直流变换器进行了实验验证。

面向直流储能系统的飞跨电容三电平双向升降压变换器及其模型预测控制策略

光伏系统中直流母线电压受光伏发电端及负载影响变化范围较大,传统储能直流变换器难以适应储能侧及母线侧双端宽电压范围运行。该文提出一种适用于储能系统的飞跨电容三电平双向升降压变换器,该变换器具有对称的拓扑结构,能量向任意方向传递时,均可实现升、降压功率变换,从而解决储能系统在宽母线电压工况下的应用问题。此外,该文提出基于所提变换器的模型预测控制(MPC)策略,该策略通过建立电感电流的预测模型,引入电感电流和输出电压的双闭环控制,实现稳定输出电压的控制目标。同时,建立飞跨电容的独立预测电压闭环,在保证输出稳压的基础上,实现对双侧飞跨电容电压的独立控制。最后,通过搭建小功率实验平台验证了所提变换器及其控制策略的有效性。

电网不平衡工况下模块化多电平矩阵变换器控制策略

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)是一种可直接实现交交功率变换的新型高压大功率拓扑,在低频输电、大功率异步电机调速及低频海上风电送出等领域具有应用前景。由于2种频率的功率耦合作用,M3C桥臂电容电压在电网电压不对称时容易失稳。为此,文中首先对不平衡输入工况下M3C桥臂功率进行了计算,推导并总结了2种不同功率平衡方法下桥臂间的功率分配规律。在此基础上,研究低频环流对桥臂功率的影响,在保证系统总有功功率平衡的前提下,提出基于低频环流的M3C桥臂电容电压平衡控制策略,避免了网侧负序电流的引入;在不平衡工况下,通过桥臂电容电压闭环控制和功率直接补偿实现电容电压的快速平衡。所构造的低频环流仅在换流器内部流动,不影响M3C输入输出侧的解耦运行。最后在MATLAB中搭建了220 kV/400 MW M3C系统模型,验证了所提控制策略的有效性。

带飞跨电容的三电平全桥直流变换器输入中点电压的自平衡分析

输入中点电压平衡问题通常是三电平拓扑的研究重点,但是在现有的文献中针对三电平全桥(TLFB)直流变换器的输入中点电压平衡问题还没有深入分析。针对TLFB直流变换器,给出其详细的模态分析,进而揭示其中点电压偏移的原因,并说明飞跨电容能带来中点电压自平衡的功能。首先通过对比无飞跨电容的三电平半桥(TLHB)和TLFB变换器的供电模态,指出在对管关断不一致的情况下,TLFB电路也会出现单个分压电容提供负载电流的模态,从而导致输入中点电压偏移;之后针对带飞跨电容的TLFB电路进行模态分析,证明即使在对管关断不一致的情况下,飞跨电容的引入能极大缓解中点电压的偏移,从而实现自平衡;最后分析稳态情况下偏移电压的影响因素,推导带飞跨电容的TLFB电路中点电压稳态误差的数学表达式,该表达式能够对TLFB变换器中飞跨电容的设计提供理论指导。通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。

新型串联混合型模块化多电平变换器及其控制策略研究

近年来,模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)因具有模块化的结构特点,在柔性直流输电领域受到广泛关注。随着电压等级的提升,传统MMC拓扑的子模块数成倍增加,装置成本及体积大幅提高。为实现MMC的轻型化设计目标,提出一种串联混合型MMC(series hybridMMC,SHMMC)拓扑,对其工作原理进行介绍,并推导其数学模型。同时,针对相单元内部所存在的释能过电流问题展开讨论,设计适用于SHMMC拓扑的控制策略。MATLAB/Simulink仿真及样机实验研究结果表明该拓扑正确可行,且具有较好的输出特性及内部特性。在直流侧电压相同的情况下,所提SHMMC拓扑相较于传统MMC拓扑子模块数更少,在保障良好输出特性的前提下损耗更低,且无需设置桥臂电抗器,有利于降低装置体积,有效实现了轻型化设计目标。

用于超级电容储能系统的三电平双向直流变换器及其控制

传统两电平DC-DC变换器开关器件承受电压应力高,输出电流纹波大。本文采用一种三电平双向直流变换器控制超级电容的能量流动,有效提高了超级电容充放电效率和输入电压等级。分析了三电平双向直流变换器的工作原理及其控制策略,在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型,验证了三电平双向直流变换器拓扑的优点,并实现了对直流网压、飞跨电容电压以及超级电容充放电电流的控制;样机实验表明了该变换器及其控制的合理性和有效性。

基于能量平衡的降低模块化多电平变换器子模块电容电压波动控制策略

电容器是模块化多电平变换器(MMC)子模块的关键部件,降低子模块电容电压波动是提高电容器可靠性和降低变换器成本的双重要求。首先分析不同环流对MMC电容电压波动的影响,指出注入典型2次环流是降低电容电压波动和减少器件损耗较好的折中方案。然后,在介绍已有基于工频周期的能量平衡控制策略基础上,提出基于控制周期的能量平衡控制策略,在达到注入典型2次环流降低MMC电容电压稳态波动的同时又能取得较好的暂态性能。所提出的基于能量平衡的控制策略,与常规PI控制器相比避免了繁琐的参数整定过程,并适应各种工况。最后,通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。