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。

具备低电压穿越能力的自均压型混合直流变换器研究

输入串联输出并联型(input-series output-parallel,ISOP)直流变换器广泛应用于能源互联网中的直流电网场景,其关键问题在于解决系统模块间输入电压不均衡。为此,结合谐振型和移相型双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器,提出一种具备自适应均压能力的混合型模块化ISOP型直流变换器,系统同时具备谐振型DAB的高效率和移相型DAB的灵活控制能力。通过在DAB源端的滞后桥臂中点增设无源的LC谐振支路,该谐振支路与相邻子模块的2个半桥模块共同构成非隔离型双有源半桥,以此来实现系统输入电压的自适应均衡。此外,提出一种低电压穿越(low voltage ride-through,LVRT)方法,在DAB前端连接电压调整模块,模块内部的高频变压器的副边串联电感,当系统输入输出侧发生电压跌落时具备故障穿越的能力,提高系统的暂态可控性。最后,在MATLAB/SIMULINK环境下搭建模型进行验证,可以证明系统的自适应均压性能及故障穿越方法的有效性。

ISOP-DAB变换器动态特性及回流功率混合优化控制技术

移相控制是输入串联输出并联双有源桥(Input Series Output Parallel-Dual Active Bridge,ISOP-DAB)变换器一种常见控制方式,针对传统单移相控制存在动态特性和回流功率问题,提出一种基于扩展移相(Extended Phase Shift,EPS)的混合优化控制技术.首先,基于ISOP-DAB的状态空间平均化方程,分析了EPS控制下ISOP-DAB变换器的回流功率和电流应力.其次,通过电压微分方程离散化,建立了DAB变换器控制量预测模型.最后,结合梯度下降算法(Gradient Descent Algorithm,GDA)进行控制优化,并进行了仿真分析.结果表明:基于EPS的ISOP-DAB变换器混合优化控制策略实现了输入电容电压均衡、输出电压稳定及同时优化回流功率的控制目标.

基于功率路由的ISOP-DAB变换器寿命控制

功率路由策略是通过控制功率分配来提高模块化变换器可靠性的一种很好的选择。现有功率路由控制器通过为老化单元减载来延长单元寿命,即默认损伤增长率随着负载的减少而降低。然而,由于拓扑结构和工作原理的不同,此假设并不总是成立。此处揭示了输入串联输出并联双有源全桥(ISOP-DAB)变换器中电容损伤增长率与单元负载的非单调关系,并在3台DAB样机上进行了实验验证。针对此问题,还设计了一种通用型控制器,并通过仿真验证了其在寿命控制方面的优势。

一种输入串联输出并联双有源桥变换器输入电压自平衡结构

输入串联输出并联(inputseriesoutputparallel,ISOP)双有源桥(dualactivebridge,DAB)变换器的输入均压(input voltage sharing,IVS)主动控制策略存在控制系统复杂和传感器数量较多的问题。相反地,无源调控方法的控制系统简单,因而具有明显的优势。基于无源均压思想,提出一种适用于共占空比控制的基于耦合电容的ISOP-DAB变换器的输入电压自平衡拓扑结构,通过耦合电容使得子模块的高频链环节产生电气耦合,从而实现子模块输入电压的均衡。进一步,给出含有耦合电容的ISOP-DAB变换器的简化等效电路,并进行理论分析与推导,得到子模块输入母线电压偏差及耦合电容电流与变换器硬件参数的关系。理论计算表明该拓扑在子模块参数存在较大的偏差时仍然具有较好的IVS能力。最后,仿真和实验结果验证该拓扑的可行性和有效性。

面向中压交直流配电网的高频链直流固态变换器损耗模型和分析

高频链直流固态变换器(DCSSC)是中压交直流配电系统的关键设备之一。针对传统方法未考虑硬开关运行问题,本文提出了一种基于输入串联输出并联双有源桥的高频链固态变换器损耗计算方法。分析了高频链直流固态变换器软开关和硬开关工况下的工作原理,给出了不同阶段下开关器件有效导通时间,推导了软开关和硬开关下的电流平均值和有效值解析模型。建立了高频链直流固态变换器的通态损耗和开关损耗模型,给出了改进型高频变压器损耗计算方法。最后通过Matlab和PSIM仿真软件在开关频率和传输功率变化情况下对高频链固态变换器的各部分损耗分布和系统效率进行了验证和分析。

ISOS-DAB系统电压上翘控制策略研究

实现模块间的均压均流是保证模块串并联系统正常运行的关键,针对现有均压控制策略大都模块化程度低的问题,将输出电压上翘控制引入输入串联输出串联-双有源桥变换器(Input Series Output Series-Dual Active Bridge,ISOS-DAB)系统.首先,在DAB变换器小信号建模基础上,结合ISOS拓扑关系和上翘控制,对ISOS-DAB系统进行完整的小信号建模,分析了控制原理及系统稳定性.其次,通过PSIM软件分别对采用校正前后的上翘控制的ISOS-DAB系统进行了仿真分析.最后,设计了两模块ISOS-DAB系统样机,进行了输出电压上翘特性、输入电压突变和负载突变的实验验证.结果表明:仿真和实验结果均验证了本文理论和上翘控制在ISOS-DAB系统中的有效性与稳定性,上翘控制能够保证ISOS-DAB系统在无互联通信条件下实现模块均压,提高了该系统的模块化程度.

输入串联输出并联型双有源桥变换器等效建模方法

该文提出一种适用于双有源桥结构(dual active bridge,DAB)构成的输入串联输出并联(input series output parallel,ISOP)DC-DC变换器的电磁暂态等效建模方法。现有电力电子变换器常将ISOP型DAB变换器作为中间环节,但由于DAB单元和ISOP结构的复杂性,导致电磁暂态精确仿真的仿真效率极低。为此,文中提出一种适用于DAB构成的ISOP型DC-DC变换器的等效建模方法。具体而言,采用梯形积分法将各DAB单元组成元件离散化,并通过对变压器的分析,将变压器解耦,再利用嵌套快速求解法消去DAB单元内部节点和串并联节点,使得整个DAB变换器等效为仅包含4个外部节点的戴维南(诺顿)等效电路。在完成一个步长的电磁暂态求解后,可随后进行内部节点信息如各DAB单元输出电流的更新。在PSCAD/EMTDC环境中验证所提出模型的精度和加速比,结果表明,提出的等效建模方法可以精确仿真系统稳态与暂态过程,且可以很大程度提高电磁暂态仿真效率。

基于模块化双有源桥变流器的直流变电站设计方案

文中提出了一种基于模块化双有源桥变流器的直流变电站方案,将双有源桥模块按照输入端并联、输出端串联的结构级联而成,可以将输入端的直流低压升压至输出端的直流中高压,并且具备功率双向流动能力。模块化双有源桥变流器的直流高压出线连接到高压直流电网,各个模块的直流低压出线可分别连接到低压分布式电源和负荷。双有源桥模块内部使用结构紧凑的高频变压器实现输入端和输出端的电气隔离。提出了适用于模块化双有源桥变流器的串并联均衡控制,具有高效可靠且无需通信的特点,各模块的串联输出端的电压和并联输入端的电压保持相同的斜率关系。电磁暂态仿真结果表明该直流变电站总有功功率在各模块之间均匀分配,各模块的输入直流电流和输出直流电压能够保持均衡。

基于电压前馈的输入串联输出并联型直流变压器反下垂控制策略

以双有源全桥(dual active bridge,DAB)DC-DC变换器为基本功率单元的输入串联输出并联(input-series-output-parallel,ISOP)型直流变压器(DC solid state transformer,DCSST)十分适用于直流电网互联或大规模新能源汇集等高压大容量应用场合。文中针对现有的反下垂控制方法无法兼顾均压/均流特性与输出电压调整率的缺点,提出了一种电压前馈的反下垂控制方法。通过引入输入电压均值前馈实现了直流变压器输入电压与输出电压的解耦,使得直流变压器在实现均压/均流运行的同时,具有较好的稳压性能。最后,于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了以DAB变换器为基本功率单元的三单元ISOP型直流变压器仿真模型,对所提出的算法进行了对比实验验证。实验结果表明:该方法可以实现直流变压器各模块的传输功率平衡,同时具有较好的稳压性能。

输入串联输出并联型双有源全桥DC-DC变换器模型预测控制方法

以双有源全桥(dual active bridge, DAB)DC-DC变换器为功率单元的输入串联输出并联(input series output parallel, ISOP)型直流变压器是直流配电网的关键部件,为了提高系统在输入电压脉动及负载突变工况下的动态响应速度和抗干扰能力,提出一种基于预估校正法(predictive correction method, PCM)的模型预测控制策略,通过分析并建立输入串联输出并联型双有源桥(input series output parallel dual active bridge ISOP-DAB)的数学模型,推导了变换器的状态空间平均方程,并采用PCM优化输入电压及输出电压的预测控制模型。同时,为了有效减少系统传感器的数量,提出无负载电流传感器的模型预测控制策略。所提出的策略有效提高了ISOP-DAB变换器的动态响应速度及抗干扰能力,且保证了各模块输入电压的均衡。最后,在RTDS中搭建两单元ISOP-DAB系统半实物仿真模型,实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

基于模块化三电平方式的中压直流配电网DC/DC换流器设计

中压直流配电网与直流负荷、直流微电网的互联是实现直流配电网的关键,这将迫切需要一种适应于中压和低压大跨度变比的直流变压器(即DC/DC换流器)。三相双主动全桥(dual-active bridge,DAB)换流器具备可隔离、可实现双向功率流动、滤波器体积小等优点,该文基于三相DAB换流器拓扑,结合中压直流配电网DC/DC换流器高压侧电压应力大、低压侧电流应力大等特性,设计了一种基于三电平方式的DC/DC换流器模块,进而采用输入串联、输出并联的模块化级联方式设计了中压直流配网DC/DC换流器。最后,提出了换流器模块高、低压侧协调控制方式以及模块化DC/DC换流器的输入电压均分、输出电流均分控制方式,并在MATLAB/Simulink里验证了其可行性。