带感性负载的Buck-Boost变换器的非线性行为分析及优化控制

Buck-Boost变换器在某些参数发生变化时会呈现出丰富的非线性行为,这些行为将严重影响系统的稳定性,使得系统输出的电能质量劣化。文章基于实际变换器的负载特性,深入研究了感性阻抗负载下Buck-Boost变换器的非线性行为产生机理,提出了一种对数延迟反馈控制方法。该方法选取系统的输出延迟值与自身的值作差形成反馈信号;将该信号通过比例环节、求和环节和对数环节形成控制信号,以负反馈的形式施加于系统;最后基于稳定判据确定最优控制参数并对系统实施控制。为验证该方法的有效性,进行了大量的仿真实验,结果表明该方法能很好地抑制系统的非线性行为,扩展其稳定边界,改善系统输出的电能质量。

宽增益高效率级联式四开关Buck-Boost LLC变换器

为了解决变频控制的桥臂共用型四开关Buck-BoostLLC级联变换器磁性元件设计和优化困难的问题,提出一种二次侧为特殊全桥整流结构的级联式四开关Buck-Boost LLC变换器。通过控制二次侧开关管的交叠导通时间以拓宽变换器的电压增益。该变换器可根据不同的输入电压范围工作在交叠模式和整流模式;在不改变变换器参数的条件下将增益显著提高,能够适应更宽范围的输入电压,同时保持了变换器较高的工作效率。在两种工作模式的基础上,采用移相控制使变换器所有开关管实现零电压导通(ZVS),二极管实现零电流关断(ZCS)。结合状态平面轨迹分析法,对定频控制的级联式四开关Buck-Boost LLC变换器进行模态分析,并推导两种工作模式下的输入-输出表达式和开关管的软开关实现条件。最后,通过研制一台70~280 V输入、240 W/28 V输出的实验样机,验证了理论分析的正确性。

基于Buck-Boost电路与相对极差策略的锂电池组分层均衡技术研究

针对串联锂电池组均衡过程中出现的均衡速度慢、能量转移效率低等问题,提出一种基于Buck-Boost电路的分层均衡拓扑结构,以各单体电池的荷电状态(SOC)作为均衡变量,采用相对极差法的均衡控制策略以实现各层均衡单元的同步均衡。首先阐述了改进后均衡拓扑的整体结构以及分层分组的方法、最小均衡单元的均衡原理以及均衡过程中相关参数的计算过程;之后根据所设计的分层拓扑结构设计了与其相适应的均衡控制策略;最后在Matlab/Simulink中分别搭建了不同拓扑下的仿真模型并进行了均衡仿真验证。仿真结果表明,在8节电池与9节电池的不同情况下与传统单层均衡拓扑相比,文中所提出的采用相对极差控制策略的分层均衡拓扑结构在均衡速度上分别提高了86.06%和84.21%,在能量转移效率上分别提高了3.3%和4.22%,验证了所提均衡拓扑以及均衡策略的有效性。

非最小相位的单电感双输出Buck-Boost变换器的复合控制方法

单电感双输出Buck-Boost (SIDO Buck-Boost)变换器在电感电流连续模式(CCM)下工作存在交叉影响以及非最小相位特性的问题.为了解决上述问题,提出基于储能函数的扩张状态观测器(ESO)的改进非奇异快速终端滑模(NFTSM)和自抗扰控制(ADRC)相结合的控制策略.设计主路控制器,对系统的传递函数进行拟合得到ADRC范式,利用该范式对主路进行解耦控制.设计支路控制器,采用改进型ESO对储能函数进行观测,并将观测值反馈补偿到非奇异快速终端滑模控制律中,达到支路解耦的效果.为了抑制滑模控制的抖振问题,对趋近律进行改进.利用Lyapunov理论证明系统稳定性.基于硬件在环(HIL)实验平台进行实验验证.结果表明,所提控制策略与PI控制策略以及基于ESO的滑模控制策略相比,在超调量和响应时间上具有较好的效果.

基于Posicast控制的双向Buck-Boost变换器改进控制策略研究

双向Buck-Boost变换器被广泛应用于锂电池等储能系统,常采用电压电流双环控制策略,存在动态超调大且有残留振荡等缺点,影响了储能系统的正常运行。提出基于Posicast控制的改进控制策略,首先,分析了双向Buck-Boost变换器不同工作模式的数学模型,介绍了Posicast控制器的基本概念,并给出了提升Posicast控制鲁棒性的设计方法。其次,基于变换器双环控制,将Posicast控制算法引入电流控制器,以改善系统的动态性能,并给出了不同模式下各控制器的设计方法,分析了电感参数变化时的系统鲁棒性。最后,通过功率为10 kW的双向Buck-Boost变换器样机平台,用试验验证了所提控制策略的正确性。

基于开关流图法的Buck-Boost变换器小信号建模分析

阐述Buck-Boost变换器具有输出纹波低,电压可控等优点,广泛应用于新能源汽车电池发电、直流微电网。建立小信号模型有利于对电路系统主电路的控制和控制回路的设计。分析Buck-Boost变换器,利用开关流图法和信号支路的模型建立变换器的流图,从而推导出变换器的小型号模型。

双向Buck-Boost变换器的无源控制策略

为有效升级Buck-Boost变换器的动态与静态性能,基于无源控制的特性与优势,将其应用于两台以上的并联带恒功率负载Buck-Boost变换器中。结合无源控制模型及对无源控制器设计,阐述了无源控制双向Buck-Boost变换器的详细流程,明确了无源控制器的可靠性。研究结论证实了无源控制策略对低效带恒功率负载负阻特性的实际价值,有利于提升驱动系统稳定范围。

分数阶忆阻二阶电流反馈型Buck-Boost变换器动力学建模与分析

提出一种基于分数阶微积分理论的有源压控忆阻负载峰值电流型Buck-Boost变换器模型。在推导其在电感电流连续模式下电路方程的基础上,通过数值仿真分析并验证Buck-Boost变换器的复杂动力学行为。仿真实验结果表明,随着系统阶次的变化及忆性负载的加入,系统分岔点均发生后移,系统稳定工作范围大大增加;对整数阶忆阻负载变换器模型施加两时间尺度参数激励与外接激励,研究当慢变参数频率与系统固有频率产生量级差时的簇发振荡行为,随着系统激励幅值A的变化,系统会出现概周期的单-Hopf簇发振荡。

基于BUCK-BOOST变换器的锂电池主动均衡

本文针对传统BUCK-BOOST电路只能对相邻锂电池进行均衡的缺点,设计了双层BUCK-BOOST电路的分层式均衡拓扑。该拓扑可以减少均衡过程中能量传递的路径,减少能量损耗,加快均衡速度。均衡策略采用基于电池荷电状态(SOC)作为均衡变量,组内组间同时均衡的策略进行相应的均衡操作。在Matlab/Simulink仿真结果证明,本文所设计的均衡拓扑和均衡策略有效提高了均衡效率和均衡速度。

基于Buck-Boost逆变电路的低纹波可调直流稳压电源控制方法

为克服传统低纹波直流稳压电源的主电路拓扑结构存在电路结构复杂、体积大等不足,提出一种基于Buck-Boost逆变电路的新型可调直流稳压电源拓扑结构,用Buck-Boost逆变环节取代传统结构中高频逆变和变压器升压两个环节,此结构相较于传统结构,在电路结构上可以得到明显的简化。为实现该新型可调直流稳压电源输出低纹波、高稳定度直流电压的要求,针对其Buck-Boost逆变电路提出采用基于比例积分-矢量比例积分的复合控制方法,即以Buck-Boost逆变电路中电容电压和电感电流作为状态变量,并以电感电流为控制内环,电容电压为控制外环,通过对两个闭环采用比例积分-矢量比例积分复合控制方法,实现对两个状态变量的解耦控制,最后通过仿真与实验对其效果进行了验证,同时与传统低纹波直流稳压电源进行了对比分析。结果表明,文中提出的基于Buck-Boost逆变电路的新型可调直流稳压电源拓扑结构及针对该拓扑结构所提出的控制方法不仅输出直流电压纹波小、稳态精度高、动态性能好同时还具有电路结构简单且输出直流电压任意可调等特点,因而具有较好的应用价值。

基于四开关Buck-Boost的三模式平滑切换控制优化方法

四开关型Buck-Boost变换器传统的工作模式是根据不同的公式计算Buck、Boost和Buck-Boost模式的占空比。这种控制策略相对复杂,如果三种模式之间的转换控制策略设计不当,就会导致输出电压发生波动。介绍了Buck-Boost的工作原理,提出了一种数字控制技术,详细介绍了其原理并进行了数学建模、仿真分析和实验验证,取得了与理论分析一致的实验结果。

基于Buck-Boost准谐振电路的电池自适应分组均衡方案研究

针对Buck-Boost均衡电路中开关频繁通断导致均衡效率降低的问题,文中对传统的Buck-Boost电路进行改进,设计可实现开关管的零电压导通的准谐振电路,有助于减小开关损耗,提高均衡电路的效率。为减少开关管的通断次数,并缩短均衡时间,均衡策略采用全局优化视角,分段选择电压和SOC作为目标均衡变量,并提出电池单体间、单元间及模组之间的自适应分组均衡策略。以8个电池串联的电池组为例,设计静置、充电、放电和浮充均衡实验,结果表明,与传统方案相比,提出的均衡电路和均衡策略在均衡效率和速度上有显著提升,可助力电池组的整体性能提升及其延寿。

一种电流模式Buck-Boost变换器的混沌与反混沌混合控制方法

由于混沌系统具有内在随机性的特征,其状态变量之间的关联性有时很弱,甚至不相关,因而难以对系统实施有效控制。文中基于状态关联和参数扰动的思想提出了一种Buck-Boost变换器混沌与反混沌混合控制方法。所提方法定义了一个调整系数来表征状态变量之间的耦合强度,通过调节该系数达到控制其耦合强度的目的,并建立系统的数学模型。利用系统的微分项来表征参数扰动项,对系统施加一定范围的参数扰动。根据控制目标,通过改变调整系数实现对系统的混沌与反混沌控制。基于单值矩阵理论和Simulink仿真平台验证了方法的有效性。所提方法仅需调整一个外部参数,即可将任意状态下的电流型Buck-Boost变换器控制到周期1、周期2轨道及混沌态。

单级单相无电解电容Buck-Boost逆变器

该文给出一种无电解电容的单级单相Buck-Boost逆变器。该逆变器可以灵活地实现升降压以适应宽输入范围的直流侧电压;仅用一个工作于正负半周的低值直流储能电感而无需电解电容和大电感,开关器件和无源器件数目少,因而降低了成本和体积,提高了可靠性、使用寿命和功率密度;通过改变储能电感电流方向实现极性反转,控制方式十分简洁,非常适用于中小功率光伏系统。该文详述了Buck-Boost逆变器的工作原理、升降压能力及调制策略,并在此基础上,完成该逆变器升降压、扰动以及并网控制的仿真和实验,结果良好且与理论分析相契合。

非反向Buck-Boost变换器的三段式ZVS控制策略

目前文献中的四边形控制方法及其改进方案,能实现非反向Buck-Boost变换器各开关管的ZVS,但存在如下问题:需使用多维查找表或外部存储设备而无在线检测实时计算的闭环、较大的通态损耗和多模式切换引起的输出电压波动等。该文针对上述3个问题提出一种三段式变频ZVS控制策略。首先,去除四边形控制中电感电流的环流续流环节,以减小电感电流有效值并提高效率。其次,在不添加任何额外有源或无源器件的条件眄,将整个宽输入电压范围分成3个模式,分析每个模式的特点,以增加控制条件和简化计算过程,同时实现各模式的在线实时恒压闭环和通态损耗最小ZVS而无需使用多维查找表和线性插值,整体控制简单易实现。然后,提出基于三段式ZVS控制的多模式平滑切换控制策略,可保证在模式切换时各开关管占空比跳变前后,闭环输出始终保持稳定。最后,本文给出了各模式区间划分的理论依据,并搭建500 W实验样机验证了所提方案的有效性。

基于CESO的SIDO Buck-Boost变换器自抗扰控制策略

针对单电感双输出Buck-Boost变换器两输出支路va和vb间存在交叉影响,暂态性能差等问题,提出一种基于级联扩张状态观测器(CESO)的自抗扰控制(ADRC)策略.首先,根据ADRC理论将主路和支路分别拟合为相互独立的系统,减少支路间的交叉影响;其次,设计CESO对系统总扰动进行估计,消除因传统扩张状态观测器不完全估计而造成的观测残差,并利用CESO对电路传感器高频噪声的抑制作用,进一步提高观测值的估计精度;然后,将观测值作用于ADRC的状态误差反馈控制率,以提高系统的暂态性能;最后,利用Lyapunov理论证明了控制系统的闭环稳定性.仿真结果表明:本文所提控制策略有效减小了两输出支路va和vb间的交叉影响,同时提高了系统的暂态性能.

四开关Buck-Boost变换器研究综述

直流微电网因其结构复杂、功能多样,对系统中变换器的性能有较高要求。四开关Buck-Boost变换器具有宽范围电压变换、输入输出同极性、功率双向传输等优势,近年来得到国内外学者的广泛关注,被应用于直流微电网中的新能源发电、储能等单元。通过分析该变换器的工作原理与典型控制策略,对变换器研究中现存关键问题,模式切换与效率优化进行归纳总结。针对模式切换问题,从模式切换时死区机理出发,基于多模式控制策略,分析了模式平滑切换的典型控制方法。针对效率优化问题,归纳了影响变换器效率的关键因素,并从硬开关与软开关两个方面分析阐述了常见的效率优化方法。最后,对四开关Buck-Boost变换器的现有研究工作进行了总结与展望,为该领域的进一步研究和发展提供了理论指导。

储能系统双向Buck-Boost变换器控制策略研究

为应对可再生能源出力波动引起储能系统功率流动方向的频繁变化,提出一种基于自抗扰控制和模型预测控制(ADRC+MPC)的储能系统双向Buck-Boost变换器控制策略。其中模型预测控制方法应用于电流内环,无需进行参数整定的同时,也提高了系统的响应速度;采用自抗扰控制策略的电压外环,通过在高频段降阶简化控制对象,达到降低自抗扰控制器复杂度的目的。仿真和样机实验显示当电感电流与输出电压参考值突变时,系统可分别在0.2与30 ms内迅速调整到给定值;当负载与电源电压突变时,系统能在20 ms内恢复稳定。实验结果证明该文提出的控制方法优于PI+MPC策略,具有响应速度快、超调量和波动幅度小的特点。

具有低输出纹波的双电感复用无桥buck-boost PFC变换器

单相buck-boost功率因数校正(PFC)变换器凭借高功率因数(PF)与升降压的输出特性广泛应用于小功率非隔离LED场合(≤25 W),但是随着双碳政策的推行,需要进一步提升变换器性能。因此提出一种双电感复用的单级无桥buck-boost变换器,其双电感分别交替工作于电感电流不连续导通模式(DCM)与连续导通模态(CCM)。工作于CCM的电感可以与电容构成LC滤波电路减小输出纹波,工作于DCM的电感可以使变换器仍然采用单电流闭环控制实现接近于1的PF与输出调节。此外,所提出的变换器仍然可以采用含谐波注入的控制,进一步降低输出电流纹波,实现PF与输出电流纹波的权衡。最后,两台实验样机验证了拓扑的可行性和理论分析的正确性。

三电平Buck-Boost变流器直流电容与IGBT开路故障非侵入式监测方法

三电平Buck-Boost变流器具有双向馈能和能量传输高效的特点。针对直流电容器容值衰退和IGBT开路故障两种典型失效模式,提出了一种利用变流器自身传感器同时对直流电容容值衰退和IGBT开路故障非侵入式在线监测的方法。首先,分析了三电平Buck-Boost变流器开关运行模态及其切换顺序。然后,采用特定开关模态消除直流电容等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)影响,分别推导了子模块电容的容值特征解析表达式。最后,利用每个开关周期计算出的等效容值特征检测和定位IGBT开路故障。仿真和实验结果表明:利用开关模态容值特征能够同时监测三电平Buck-Boost变流器直流电容状态和IGBT开路故障,平均容值监测误差小于1%且可以消除ESR的影响,利用容值特征畸变能够在2~3个开关周期内检测出IGBT开路故障。