DAB储能变换器双闭环模型预测控制与PI补偿控制策略研究

针对直流微电网中分布式电源输入输出功率不稳定造成的直流母线电压波动问题,鉴于双有源桥(DAB)储能变换器具有能量双向流动的特点,提出一种基于内模原理的双闭环模型预测控制策略。在分析DAB变换器扩展移相调制原理与特性基础上,重点研究电压外环和电流内环的模型预测控制策略。针对模型预测控制性能依赖电路参数准确度问题,分别从电路主要参数失配对功率传输和直流母线稳压的影响两个角度出发,深入分析模型参数敏感度。最终设置直流母线电压稳态误差灵敏度区,在误差灵敏度区外仅采用双闭环模型预测控制以保证系统的动态响应性能,在误差灵敏度区内采用双闭环模型预测控制和PI补偿控制以消除系统稳态误差。搭建实验平台进行实验验证,结果表明:在系统受到扰动时,DAB储能变换器可实现快速地充放电对系统进行补偿,混合控制策略可快速保持母线电压的稳定,实现系统功率均衡,增强系统抗扰能力。

固态变压器中隔离双向DC/DC变换器扩展移相下虚拟电流控制策略

该文以固态变压器后级隔离双向DC/DC变换器为重点研究对象,提出一种扩展移相下虚拟电流控制策略。通过分析后级变换器在扩展移相传输功率下相移量关系以获得最小电流应力最优解来提高变换器的传输效率,减少器件损耗。同时通过虚拟电流控制思想在线估算传输功率来提高系统动态响应性能,减少电流传感器使用。最后,对该文所提出的扩展移相下虚拟电流控制与扩展移相控制进行实验对比分析,验证了扩展移相下虚拟电流控制策略具有降低电流应力,显著提高变换器的动态响应的优点。

双有源桥变换器的优化控制研究

为了提高双有源桥变换器的效率,针对传统单移相控制时电感电流应力大、回流功率增加等问题,提出了一种基于扩展移相控制的优化控制方法,在轻负载情况下尤为明显。首先,阐述了扩展相移控制方法的原理,通过原边侧桥内移相比及桥间移相比2个自由度改变电感两端电压,控制双有源桥变换器的能量传输;其次,根据自由度大小的不同,分析推导出不同工作模式下电感电流应力及传输功率;再次,为了寻找最优移相比组合,以电感电流应力为优化目标,结合KKT条件得到最优的扩展移相控制策略;最后,通过一台400 W变换器实验平台的搭建,对比传统控制方式,优化后扩展移相的电流应力明显降低,效率显著提高。

双有源桥直流变换器三电平扩展移相控制下电感电流有效值最优跟踪控制策略

多电平双有源桥直流变换器广泛应用于电压传输范围宽的场合,能够减小功率开关电压应力,并提供更多自由度,优化变换器性能。首先,该文提出基于三电平扩展移相控制的三电平双有源桥直流变换器最小电感电流有效值跟踪控制策略,建立三电平扩展移相控制策略下各工作模式下的数学模型,根据拉格朗日乘数法得到各可行域内部最优极值点处移相比之间的相互关系;然后,分析边界最优点,通过比较内部最优极值点和边界最优点处电感电流有效值,得到全局最优工作点;最后,根据传输功率与全局最优工作点处移相比的变化关系,得到全局最优工作点跟踪控制策略,克服寄生电阻和开关损耗对最优工作点的影响。将三电平扩展移相优化调制策略与两电平扩展移相控制、单移相控制以及峰值电流优化控制进行对比实验,实验结果验证了所提该优化策略能够有效减小电感电流有效值并提高变换效率。

考虑电流应力优化的ISOP-DAB变换器扰动均压控制策略

针对输入串联输出并联双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器子模块内部参数不匹配导致的功率不平衡,以及单移相(single phase shift,SPS)控制下变换器工作效率低的问题,该文基于拓展移相(extended phase shift,EPS)控制提出一种扰动均压(disturbance voltage sharing,DVS)控制策略。通过建立EPS控制下的电流应力解析模型,求解最优电流应力对应下的内外移相比组合。进一步,设计逐级扰动方案,通过扰动模块的外移相比,对各模块内部参数失配时的输入电压进行补偿。DVS控制策略在实现串并联模块间功率平衡的前提下,降低变换器电流应力,从而提升变换器的工作效率。此外,由于无需在每个控制环路中增设输入电压传感器,系统结构更为简化,硬件成本更低。最后,通过仿真和实验验证了所提控制策略的正确性和有效性。

储能用零电压双有源桥式DC-DC变换器控制策略研究

针对可再生能源并入电网运行的不稳定性问题,以带开关管电容的双有源全桥双向DC-DC变换器为主要研究对象,研究不同控制方式下变换器的特性。重点研究了典型双有源桥结构的变换器在单移相控制方式、扩展移相控制方式以及双重移相控制方式下的不同工作状态,对比各个控制方法下的开关管零电压导通条件与电流应力。通过仿真与实验对上述不同控制方式下的工作状态进行对比分析,扩展移相在保证ZVS的基础上减小了电流应力与开关损耗。

基于扩展移相控制的高频DAB变换器ZVS控制方法

双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)在需要高效能量双向流动的工作场景有广泛的应用。在高开关频率工作时,变换器开关器件结电容充放电时间无法忽略,导致扩展移相控制下DAB零电压开通(Zero Voltage Switching,ZVS)范围断续。通过分析扩展移相控制下双有源桥DC-DC变换器工作模态,建立高开关频率工况下DAB变换器数学模型,提出一种利用磁化电流扩宽ZVS范围的方法。在此基础上,结合电感电流应力优化算法,提出一种适用于高频工况应用的电流应力优化下的软开关控制策略。采用该控制策略,可以有效减小导通损耗,消除开关损耗,显著提升高开关频率下的变换器效率。搭建400 kHz实验样机,验证控制策略有效性。

双向全桥串联谐振DC/DC变换器扩展相移控制的全局优化方法

基于传统基波等效法建立的双向全桥串联谐振(dual bridge series resonant,DBSR)DC/DC变换器模型准确度不高,导致控制存在误差,变换器的工作效率降低。文中采用分段分析法建立DBSR变换器在扩展相移(extended phase shift,EPS)控制下的模型,能够准确描述变换器的特性。传统单相移控制下变换器的回流功率和开关损耗较大,导致变换器工作效率降低,而文中提出一种基于EPS控制的全局优化控制方法,能有效降低回流功率和开关损耗。首先分析双向全桥串联谐振DC/DC变换器的回流功率原理,建立回流功率的优化控制模型;然后结合软开关条件及考虑死区时间下的完全软开关特性,建立双向全桥串联谐振DC/DC变换器的全局优化控制算法;最后,在基于TMS320F28335控制器的实物实验平台上,对所提方法与传统方法在宽电压增益下以及全功率范围内进行实验对比。实验结果表明:与传统基波分析法相比,所提建模方法具有更高的准确度,且所提的优化控制方法可以有效降低回流功率,显著降低变换器的开关损耗,能够大幅提升变换器的传输效率。

双有源桥DC-DC变换器线性自抗扰控制

针对双有源桥DC-DC变换器单重移相控制电流应力大,采用传统PI控制动态特性差等问题,为同时优化变换器电流应力和动态特性,在扩展移相控制下,提出一种线性自抗扰控制结合直接功率控制的电流应力优化方案。通过建立扩展移相各个状态下的数学模型,推导出电流应力的全局最优解,将线性自抗扰控制器引入电压环,与直接功率控制相结合,输出传输功率标幺值至电流应力优化算法中,计算对应移相角。仿真和实验结果表明:新优化控制策略能在减小电流应力的同时提高变换器的动态响应能力。

DAB变换器的回流功率与电流应力综合优化方法

扩展移相(EPS)控制是双有源桥(DAB)变换器的一种常用控制方式,但现有EPS控制优化存在策略优化目标单一的问题。为此,提出了一种基于EPS控制的回流功率和电流应力综合优化控制策略,优化目标是在保证回流功率最小的前提下优化电流应力,采用有约束极值法求解得出综合最优控制策略,进而设计了EPS综合优化闭环控制器。最后,通过实验对所提控制策略进行了验证。实验结果表明,所提控制策略降低了DAB变换器的回流功率和电流应力,提升了DAB变换器效率。

基于扩张状态观测器的移相全桥变换器无模型预测电流控制

针对移相全桥变换器易受到外部扰动导致控制性能下降的问题,提出一种基于扩张状态观测器的移相全桥变换器无模型预测电流控制策略(ESO-MFPCC)。建立变换器不依赖系统参数的超局部模型,替代原有复杂精确模型;设计扩张状态观测器估计超局部模型中的干扰部分,引入占空比补偿环节,削弱换流过程中产生的固有占空比丢失影响,提升系统的控制精度;离散化系统预测模型,结合无差拍控制策略,输出最优等效占空比。实验结果表明,该控制策略具有良好的鲁棒性和动态性能。

基于三环移相控制的ISOP模块化电源的研究

首先分析ISOP系统的基本单元,采用隔离型双向全桥DC-DC变换器(IBDC)作为ISOP系统的基本单元,对其拓扑结构和相应的控制方法原理进行分析。随后介绍了ISOP的拓扑结构,分析其实现均压均流的条件,针对输出均流控制(OCS)各模块输入阻抗的负阻抗特性使系统无法稳定运行的问题,提出输入均压、输出均流及输出电压环三环控制策略,最后仿真验证在各模块参数不一致情况下三环移相控制的控制效果明显比传统双环移相控制好。

基于扩展移相控制下双有源桥移相角优化选取与分析

双有源桥(DAB)采用扩展移相(EPS)控制时,在同一传输功率下存在移相角的多种不确定组合。合适的移相角选取不仅是确保DAB满足功率传输要求的前提,同时也是降低回流功率、减小电流应力的重要保障。基于此,首先,提出了一种EPS控制下的DAB移相角优化选取方法,所建立的传输功率表达式可以降低传输功率特性的分析难度和计算复杂度;其次,在综合考虑回流功率与电流应力优化的前提下,可以进一步明确移相角的选取范围;最后,仿真与实验验证了理论分析的正确性。

双有源桥变换器低平均电流的调制研究

为减小双有源桥变换器的IGBT开关通态损耗,该文提出一种降低电感平均电流的优化混合控制法,通过切换不同的控制模式保持双向变换器电感平均电流最小,以提高功率传输效率。论文通过对扩展移相控制(extended phase shift control,EPS)工作原理分析、各开关时刻电感电流及功率传输分析,建立平均电流数学模型,通过分析不同模态的平均电流确立调制方案,并通过效率分析验证方案的可行性。

基于动态矩阵控制的双有源桥DC-DC变换器电流应力优化策略

为了提高拓展移相控制的双有源桥DAB(dual active bridge)DC-DC变换器的电压动态响应性能,降低系统的电流应力,利用使电流应力最小的优化相移比与输出电压之间的关系,提出了一种将电压动态矩阵控制DMC(dynamic matrix control)算法与变换器电流应力优化方法相结合的控制算法,并从预测模型、滚动优化和反馈校正3个环节详细介绍了DAB的DMC电压预测控制的具体实现过程。最后,将所提控制方法与电压闭环PI控制的拓展移相电流应力优化算法进行了仿真比较。仿真结果表明:该方法不仅减小了电流应力,而且在变换器启动阶段、输入电压突变和负载突变时大大改善了变换器的电压动态响应性能。

结合电流应力优化的双有源全桥DC-DC变换器自抗扰控制

针对微电网系统中双向直流变换器需同时具有良好的稳态特性和动态响应这一问题,该文提出一种结合电流应力优化的双有源全桥(DAB)DC-DC变换器自抗扰控制方案,并对DAB变换器在扩展移相调制下的传输功率和电流应力数学模型、电流应力优化与自抗扰控制相结合等关键技术展开分析研究。在扩展移相调制基础上,利用条件极值法求解不同工作模式的电流应力最优解。同时构建自抗扰闭环,通过扩张状态观测器对系统状态进行实时估算,将输入电压突变、负载投切、电流应力优化策略导致传输功率波动等视作系统扰动并进行补偿。最后设计并研制一套200W实验样机,对比不同控制方案的性能,样机动稳态实验结果验证了所提出控制方案的可行性和先进性。

并联型直流电力弹簧的简单拓展移相控制策略

直流电力弹簧(direct current electric springs,DCES)作为一种解决光伏和风电并入直流微网出力不稳定而引起的电能质量问题的新途径,具有配置灵活、体积小等优势。该文提出一种针对基于三有源桥(triple active bridge,TAB)拓扑的并联型直流电力弹簧(DCES with parallel topology)的拓展移相(extended-phase-shift,EPS)控制策略,EPS控制相较于单重移相(single-phase-shifting,SPS)控制,具有减小电源侧回流功率、增大零电压开通(zero voltage switching,ZVS)区间、减小开关器件电流应力、减小光伏电源容量等优势。该文在EPS控制的基础上实现了在电源侧电压较大范围波动情形下并联型DCES全部开关器件的ZVS,并提出回流功率优化控制策略。最后,实验验证了所提EPS控制策略的正确性和有效性。

海洋电磁发射机双向可控源电路及其控制

海洋电磁探测方法是海洋油气资源勘探主要手段,目前电磁发射机可控源电路为电能单向流动,当发射偶极释放储能时,无法回馈能量,导致直流母线电压升高,开关管电压应力增大,甚至烧毁滤波电容、开关管,无法保证水下拖体在深海中长时间可靠工作。此处以双有源桥(DAB)变换器作为发射机可控源电路,首先介绍拓扑结构、工作原理与软开关限定条件,然后设计了双模控制策略,采用电感电流应力优化控制保证稳态工作,采用单变量扩展移相(EPS)滑模控制实现感性负载中能量快速回馈。仿真与实验结果表明:所提电路显著减少了母线电压冲击和开关管电压、电流应力,提高了系统效率和动态性能,满足了深海油气资源勘探需求。

基于扩展移相控制的双向有源桥变换器回流功率优化

为了更好地将分布式电源与负荷接入直流配电网,并提升功率传输效率,针对双向有源桥(dual active bridge,DAB)变换器的运行控制,研究其回流功率的优化控制技术策略。建立基于扩展移相控制的DAB变换器的传输功率与回流功率数学模型,详细阐述回流功率的产生机理,在传输功率特性中引入电路的回流功率特性。其次,分析不同电压转换比下,回流功率与传输功率的耦合关系,提出DAB变换器的回流功率最优控制模型。搭建DAB变换器的实验样机,分析最优回流功率控制下的变换器工作特性,对比研究不同控制策略下DAB内部的回流功率,验证了所提回流功率最优控制模型的有效性。

扩展移相控制的双有源桥DC-DC变换器的优化控制策略

该文将扩展移相控制下的双有源桥DC-DC变换器分为0≤D1≤D2≤1与0≤D2<D1≤1两种工作模式,分析扩展移相控制下的电流应力特性与零电压导通特性,推导在此控制方式下全功率范围内实现最小电流应力的优化方案,该方案能使所有开关管在全功率范围内实现零电压导通。对比该方案与现有的扩展移相控制方案、双重移相控制方案、三重移相控制方案的电流应力优化效果与零电压导通特性。同时,该文将双有源桥DC-DC变换器的稳态性能与动态性能的优化相结合,为增强其动态性能,提出环内直接功率控制方案,该方案与最小电流应力控制方案同时作用,当运行状况发生变化后,在保证对电流应力优化的同时,能实现快速的动态响应。最后通过实验结果验证该方案的有效性。