An Overview of Bidirectional DC-DC Converter Topologies and Control Strategies for Interfacing Energy Storage Systems in Microgrids

A microgrid is defined as a local electric power distribution system with diverse DG （distributed generation） units, energy storage systems, and loads, which can operate as a part of the distribution system or when needed can operate in an islanded mode. Energy storage systems play a key role in improving security, stability, and power quality of the microgrid. During grid-connected mode, these storage units are charged from various DG sources as well as the main grid. During islanded mode, DG sources along with the storage units need to supply the load. Power electronic interfaces between the microgrid buses and the storage units should be able to detect the mode of operation, allow seamless transition between the modes, and allow power flow in both directions, while maintaining stability and power quality. An overview of bidirectional converter topologies relevant to microgrid energy storage application and their control strategies will be presented in this paper.

基于滑模变结构的混合微电网接口变换器双向下垂控制

由于混合微电网中的交直流子网具有不同的动态特性,当系统发生负荷突变时,会在双向接口变换器(bidirectional interface converter, BIC)两侧子网间产生功率波动,使交流母线频率和直流母线电压动态响应变差,为此提出了基于分数阶滑模控制器(fractional order sliding mode controller, FOSMC)的双向下垂控制策略。将具有鲁棒性强、响应速度快和抗干扰能力强的滑模变结构控制引入到BIC的控制中,得到改进型的分数阶滑模控制器,以改善系统的暂态响应过程。通过Matlab/Simulink平台搭建了仿真模型,在多种工况下验证了该控制策略的有效性。与传统双向下垂控制相比,该控制算法可以在保证系统原有稳态特性的同时,加快整个系统的响应速度,抑制暂态过程中BIC传输功率的瞬间波动,减小功率波动对交直流子网母线的反作用,提高整个系统的动态性能和抗扰动性能。

交直流混合微电网接口变换器改进型双向下垂控制策略

针对交直流混合微电网双向接口变换器(bidirectional interface converter,BIC)采用双向下垂控制存在惯性小、阻尼低等问题,提出一种适用于BIC的改进型双向下垂控制策略。通过改进有功环,引入惯性环节和限幅系数不仅能够给系统提供惯性,减小负荷波动对交流母线频率和直流母线电压的影响,改善交、直流子网间功率传输的动态响应,还能提高交直流混合微电网的抗干扰特性和动态响应特性。通过在电流环引入非线性干扰观测器,可以抑制负荷功率的瞬态波动,抑制外部功率扰动下母线电压的波动幅度。分析了关键参数对系统稳定性的影响,采用PSCAD/EMTDC仿真验证了所提控制策略的正确性和有效性,并针对不同控制策略下负载变化时交流频率和直流电压的动态响应以及功率传输的动态响应进行了对比分析,得出了所提控制策略的优越性。

基于小交流信号注入的接口变换器二次控制方法

在交直流混合微网中,双向接口变换器是连接交流子网和直流子网的桥梁,对系统的安全稳定运行和功率的合理分配起着举足轻重的作用。目前,双向下垂控制方法广泛用于双向接口变换器的控制中,它是通过检测直流母线侧电压和交流母线侧频率来反映直流子网和交流子网的功率需求,进而控制功率的流动。然而,这种方法会使变换器输出的电压和频率存在偏差。在实际中,每个变换器的参数和输出阻抗也不会完全相同,这也会造成功率在并联变换器之间难以精确分配。为了解决以上问题,在双向下垂控制的基础上,提出了小交流信号注入的新型二次控制方法。在该方法中,小交流信号在并联的各变换器之间如同一种通信信号,其频率与接口变换器输出基波电压的下垂偏置成下垂关系,可以使变换器输出的电压和频率恢复到额定值,也可以实现并联变换器之间的功率精确分配。Matlab/Simulink仿真结果验证了所提控制方法的有效性。

面向直流微网的双向DC-DC变换器研究现状和应用分析

直流微网是一种连接分布式电源与主电网的微网形式,双向DC-DC变换器(BDC)作为直流微网中必不可少的接口电路,在直流微网中充当着重要的角色,能够有效提升分布式电源利用率和直流微网的电能质量。在简要阐述学者们关于直流微网结构研究成果的基础上,归纳出了BDC在直流微网中的四方面典型应用。主要呈现了面向直流微网的BDC研究成果,着重分析了直流微网中应用BDC作为接口电路的变换器拓扑选择。最后,基于研究现状的分析,结合直流微网的发展趋势和电力电子关键技术对BDC未来的技术发展进行了讨论。

基于双向接口变换器的混合微电网交直流母线电压统一控制策略

交直流混合微电网中,交流电压不平衡引起的接口变换器瞬时功率脉动以及单相交流负荷并入直流微电网导致的直流电压二倍频脉动,影响混合微电网正常运行。针对上述问题,建立了双向接口变换器ab坐标系下的数学模型,分析了不平衡工况下交流子网以及直流子网单相逆变负荷的二倍频功率传输特性,在此基础上,通过在双向接口变换器直流侧引入降压型波动功率补偿电路,详细设计了基于改进型双向接口变换器的交流不平衡电压及直流二倍频脉动电压统一控制策略。对补偿电路电容容量进行定量分析,使双向接口变换器可以在较小直流母线电容容量情况下,利用自身功率余量同时补偿交流不平衡电压与直流二倍频脉动电压,仿真证明了所提控制策略的有效性。

一种数字化三相双向DC/DC变换器的设计

提出了一种数字化三相双向DC/DC变换器的设计。该变换器适用于中、大功率场合,采用移相控制,具有隔离和大变比的特点,可实现大功率和高效率。在简要介绍变换器工作原理的基础上,重点介绍了监控系统串口/USB通信接口、CAN总线通信接口、Internet/局域网通信接口的设计,并介绍了监控规则、DSP软件框架和上位机监控软件的设计。实验结果显示该变换器拓扑能够通过移相控制功率,且可以通过多种通讯接口与不同监控端双向通信。