A Generalized State Space Average Model for Parallel DC-to-DC Converters

The high potentiality of integrating renewable energies,such as photovoltaic,into a modern electrical microgrid system,using DC-to-DC converters,raises some issues associated with controller loop design and system stability.The generalized state space average model(GSSAM)concept was consequently introduced to design a DC-to-DC converter controller in order to evaluate DC-to-DC converter performance and to conduct stability studies.This paper presents a GSSAM for parallel DC-to-DC converters,namely:buck,boost,and buck-boost converters.The rationale of this study is that modern electrical systems,such as DC networks,hybrid microgrids,and electric ships,are formed by parallel DC-to-DC converters with separate DC input sources.Therefore,this paper proposes a GSSAM for any number of parallel DC-to-DC converters.The proposed GSSAM is validated and investigated in a time-domain simulation environment,namely a MATLAB/SIMULINK.The study compares the steady-state,transient,and oscillatory performance of the state-space average model with a fully detailed switching model.

三有源桥DC-DC变换器广义状态空间平均模型及控制策略研究

基于移相加占空比控制策略的三有源桥TAB(triple active bridge)DC-DC变换器具有效率高和软开关范围可扩展等优点,但其小信号建模过程复杂、闭环控制环路参数整定困难。针对该问题,提出1种TAB工作在移相加占空比控制下的全阶连续广义状态平均建模和PI控制器设计方法。首先,分析TAB的运行原理和Y型等效结构;然后,结合移相加占空比控制的特点和交流方波源等效方法,推导出TAB的广义状态空间平均模型;接着,在推得模型的基础上求得输入到输出的传递函数,设计出PI控制器参数。最后,结合数字仿真及样机实验验证了所提方法的正确性及有效性。

磁耦合谐振式无线传能系统输出电压GSSA-MPC控制

针对磁耦合谐振式(MCR)无线传能系统中负载变化引起输出电压实时调节的需求,以全桥LCCL系统为研究对象,提出了一种基于状态方程的模型预测控制器(GGSAMPC)。通过广义状态空间平均法(GSSA)对全桥LCCL系统建立等效电路方程并将原副边电压电流进行傅里叶变换,建立了MCR系统的动态状态空间模型;为了加快求解速度,将控制器中的最优化问题转化为求解极小值的二次规划问题,利用有效集法求解有约束问题的二次规划。通过搭建仿真电路,在80k Hz频率下将负载值从50Ω变为25Ω,将GSSA-MPC控制器与经典PID控制器进行对比,仿真结果表明模型预测控制输出更为平滑、鲁棒性更好、调节时间比PID控制缩减0.5 ms,控制精度提高0.4%,GSSA-MPC为磁耦合谐振式系统输出电压的调节提供了一种有效的方法。

基于GSSA的双有源桥双向DC-DC变换器建模与分析

由于双有源桥双向DC-DC变换器电感电流在一个周期内波动很大,采用传统状态空间平均法对其进行小信号建模不符合"小纹波"假设,本文采用一种常用于谐振变换器建模的广义状态空间平均法(Generalized State-Space Averaging,GSSA)来对双有源桥双向DC-DC变换器进行建模。首先介绍了基于傅里叶变换的广义状态平均法,然后根据变换器的时域状态模型,以原电路变量的傅里叶级数系数为状态变量建立广义状态平均模型,求得控制到输出的传递函数,并设计了闭环控制器。最后在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型,仿真结果表明,利用该模型设计的闭环控制器可使变换器输出稳定电压。

隔离型三相双向DC/DC变换器的GSSA建模

针对桥式双向DC/DC变换器拓扑系统无法采用传统的状态空间平均法建模和分析的问题,提出采用基于频域分解建模思想的广义状态空间平均法(GSSA),将时域系统模型通过傅里叶级数变换成频域线性的广义状态空间模型。根据广义状态空间平均法的基本原理,在时域模型的基础上,推导出隔离型三相双有源桥双向DC/DC变换器的广义状态空间平均模型。通过实例仿真对比,相电流相似度达96.3%,输出电压相似度达99.0%,结果验证了所建立模型的正确性和有效性。

基于广义状态空间建模的串联谐振DC/DC变换器主动软开关控制策略

基于广义状态空间平均法,利用脉冲频率调制-脉冲宽度调制(pulse frequency modulation-pulse width modulation,PFM+PWM)调制提供的双自由度提出一种可以同时调节输出电压以及实现开关器件主动软开关的控制策略,可以根据器件主体损耗情况“主动”切换软开关模式,兼顾整体效率提升与负载调节范围的扩展。分析全桥型串联谐振直流变换器工作频率高于谐振频率时的3种运行模式,并通过谐振腔参数设计避免特殊断续电流模式的发生;通过广义状态空间平均法建立包含调制环节在内的系统基波截断小信号模型,其数值扫频结果与物理模型展现出极高的精确度,并能精确反映拍频极点;定义反映多输入多输出系统能控程度的灵敏度矩阵,依据此设计实现输出电压调节及主动软开关的双链路线性控制策略。MATLAB/Simulink仿真及样机实验验证表明,所提控制相比传统脉冲频率调制具备更高的整体效率以及更宽的负载调节范围。

基于通用平均技术的开关变换器建模研究

开关变换器是一类其内部电路结构随时间变化的非线性系统,通过经典控制理论寻求该系统的解析解并对其进行分析与设计,难以描述系统的非线性暂态特性,故需要建立基于变换器实际拓扑结构的数学模型。为了改善常见的开关变换器建模方法的不足之处,采用通用平均技术,以两类典型的开关变换器为研究对象建立其数学模型并进行仿真,仿真结果与实际电路精准模型进行比对,验证且凸显了通用平均模型具有瞬时性、准确性、普适性的特点。同时,通用平均技术与传统的开关变换器建模方法相比,较为细致地描绘且刻画了开关变换器状态变量中的纹波分量,从而解决了开关变换器的非线性特性问题,使其转化为线性时不变系统,极大地简化与便捷了后续对开关变换器的分析与控制。

基于广义状态空间平均的LLC谐振变换器建模及稳定性分析

LLC谐振变换器在航空航天领域中广泛应用,但LLC谐振变换器固有的非线性特性及输出“小纹波”易造成系统失稳。为准确分析LLC谐振变换器非线性特性及输出“小纹波”问题,引入广义状态空间平均(generalized state space averaging, GSSA)理论对LLC谐振变换器进行建模,将时域非线性状态空间模型转化为GSSA模型。并推导基于GSSA理论的闭环系统小信号模型。通过特征值分析法及Nyquist曲线对元件参数、控制参数及参数耦合对系统稳定性影响进行分析,再利用仿真对模型及理论分析进行验证。仿真结果表明,建立的广义状态空间平均模型可以考虑到系统中“小纹波”因素,具有更高的精度。稳定性理论分析结果与稳定性分析仿真验证结果一致。

准谐振改进型SEPIC变换器建模与分析

凭借高电压增益及低电压应力的特点,改进型SEPIC变换器广泛地应用于光伏、不间断电源等领域。同时由于其具有良好的软开关特性,可应用于高频场合,以提升功率密度。为了拓宽负载变化范围,改善动态响应,其数学模型的建立至关重要。采用广义状态空间平均法,对基于开关电感的准谐振改进型SEPIC变换器进行建模,建立其对应的小信号模型,并得到系统输出的传递函数。使用K-factor的方法设计补偿器,优化系统的动态性能,设计恒流输出的数字控制实现方法,并通过实验进行了验证。

高效非对称半桥混合反激变换器的分析与设计

采用广义状态空间平均(GSSA)方法,建立了传统反激变换器的数学建模。理论分析、仿真分析和设计实现了基于混合反激控制器XDPS2201与同步整流控制器IR11672AS的谐振软开关(ZVS)非对称半桥混合反激开关电源,并采用模拟控制器ICE3PCS03G实现网侧功率因数校正。主要电气参数:单相交流电源输入,直流电压48V输出,输出功率600W,整机峰值效率高于94%,输入功率因数0.99以上。

CLC谐振型感应电能传输系统的H_∞控制

CLC谐振型感应电能传输系统较传统的LC谐振型系统具有更大的谐振容量和更小的频率漂移,但由于系统的高阶及多周期点特性,对CLC型系统的控制更为困难。为实现CLC谐振型系统的输出鲁棒控制,将系统状态变量及非线性开关函数进行频域线性化,通过平衡点变换,得到平衡点附近的广义状态空间平均(generalized state space averaging,GSSA)扰动模型。建立了系统的H∞控制系统结构,提出GSSA模型误差扰动有界定理并给出了证明。给出了相应的H∞扰动控制律,并通过仿真及实验结果验证了该模型及控制方法的有效性。

具有频率不确定性的π型谐振感应电能传输系统H_∞控制方法

在型谐振感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统中,由于负载及耦合参数变化,导致系统谐振频率产生随机漂移。针对频率不确定条件下的输出控制,利用广义状态空间平均(generalized state space averaging,GSSA)法对系统进行频域建模,将状态变量进行频域展开获得广义状态变量,从而获得线性状态空间模型。借助线性分式变换,将GSSA模型的确定部分与不确定部分分离,从而将系统的不确定模型转化为含摄动反馈的线性动力学系统。在此基础上提出一种基于GSSA模型的H_∞控制方法,又基于频域设计出混合灵敏度H_∞控制器,实现了多变量无静差跟踪鲁棒控制,并利用结构奇异值分析方法校验了鲁棒控制器的稳定性及性能。仿真及实验结果验证了其可行性。

非接触传输系统的广义状态空间平均法分析

采用广义状态空间平均法(GSSA)基于频域分解的思想将系统非线性模型近似成线性连续模型,并依据该模型分析了非接触电能传输技术(CPT)系统的稳态和暂态过程.仿真结果表明,GSSA模型能较快地完成对CPT系统的稳态及暂态分析,且与Simulink创建的精确时域模型的仿真结果一致.在此基础上,给出了系统效率计算方法,分析了直流电感、负载参数对系统效率的影响.

十二相同步发电机降阶等效模型研究

十二相同步发电机整流系统能够提供高品质直流电能,但是发电机模型复杂,解析分析困难。为此,推导了十二相整流发电机的等效三相降阶模型和状态空间平均模型,简化了模型复杂程度,提高了仿真计算效率。等效三相发电机模型能够同时适用于大、小扰动,经突加突卸负载、调整励磁电压以及突然短路验证,能够正确反应十二相电机运行特性。状态空间平均模型在小扰动时能够准确模拟十二相电机计算结果,进一步提高计算效率,并为整流发电机系统的理论分析奠定了基础。最后,在PSCAD中建立了十二相电机的三相等效模型和平均模型,通过对其进行大、小扰动仿真对比,验证了降阶后模型的正确性。

参数扰动下感应电能传输系统改进型鲁棒控制

感应电能传输(inductive power transfer,IPT)技术应用于移动负载供电时,由于其能量传输的方向性限制,不可避免的振动、偏转等机械扰动容易导致系统传输功率的不稳定。主要针对移动负载供电时外部扰动带来的互感扰动问题,设计了一种适用于参数动态扰动下的IPT系统改进型鲁棒控制方法。借助线性分式变换,结合标称IPT系统广义状态空间平均模型及其参数的扰动特征,用含摄动反馈的线性动力学模型表征系统扰动模型;同时跟据广义混合灵敏度指标,计算基于系统扰动模型及目标传递函数的改进型H_∞鲁棒控制器;仿真及实验结果表明,所设计的鲁棒控制策略具有对输出电压的快速跟踪控制能力,且对参数扰动影响具有较好的抑制作用。

广义状态空间平均法在CMPS系统建模中的应用

非接触移动供电系统(CMPS)是一种基于电磁感应耦合原理实现电能从静止电源系统向移动用电设备传输的新型供电系统。由于该系统主电路包含高频逆变网络以及两个相互耦合的谐振网络,导致系统阶数较高,其状态变量也呈现出明显的振荡特性,从而给系统建模与仿真分析带来了很大困难。利用Sanders所提出的广义状态空间平均法,建立了CMPS系统的数学模型,并依据该模型对CMPS系统进行了稳态与暂态分析。

不平衡非线性负载下三相逆变器的建模与控制

为缓解实际应用场合中不平衡非线性负载对三相逆变器输出电压的影响,并改善混合负载切换时的动态特性,本文提出了基于广义状态空间平均的建模方法和电感电流滑动平均的控制策略。通过广义状态空间平均法对平衡负载下的逆变器进行了准确的建模,并在dq0坐标系下设计了PI控制器,最后利用电感电流滑动平均方法使PI控制器适于三相不平衡负载和非线性负载。与传统控制方法的对比实验表明,本文提出的模型和控制策略能够在保证混合负载下三相电压平衡的基础上,较好地提高负载切换时的动态特性。

两种状态平均法在功率变换器建模的应用比较

以buck变换器为对象,采用广义状态平均法建立功率变换器广义状态空间平均模型,并与状态空间平均法进行对比。用MATLAB软件对两种方法建立的模型进行仿真,仿真结果与用MATLAB/PSB建立的电路精确模型和实际电路输出结果进行比较。得出结论:状态空间平均法适于研究直流分量占主要成分,电路各量变化波动不大的变换器电路。广义状态平均法不仅可以反映电路各量的直流成分,也能反映出其交流成分,对于研究类似谐振变换器或波动较大的变换器电路,非常有效。

虚拟惯量控制方式下永磁风力发电机组轴系扭振机理分析

基于风电并网系统的状态空间平均模型,分析传统比例微分(PD)虚拟惯量控制方式下兆瓦级直驱永磁风力发电机组(D-PMSG)的轴系扭振机理及其影响因素,提出一种改进型PD虚拟惯量控制方法,以抑制D-PMSG轴系低频扭振。分析表明,传统PD虚拟惯量控制的引入,会降低DPMSG轴系的阻尼比,影响机组的稳定运行;降低PD虚拟惯量控制的微分系数的模值可以提高风电机组轴系的阻尼比,却会降低风电机组的频率响应能力。所提出的改进型PD虚拟惯量控制方法,通过引入永磁发电机组转速补偿项,从而提高系统阻尼比。该方法能在保证风电机组的频率响应能力的同时,有效抑制虚拟惯量控制引起的轴系低频扭振,提高系统的稳定性。仿真实验验证了理论分析和改进型PD虚拟惯量控制方法的有效性。

基于电容耦合的非接触电能传输系统模型研究

电容耦合的非接触电能传输(CPT)技术是基于高频电场耦合来实现的,与现有的电感耦合非接触电能传输(IPT)技术相比,CPT技术克服了磁场能量不能在金属屏蔽环境里进行传输的缺点,还可以减小能量损耗及电磁干扰(EMI)。本文分析了CPT系统的工作原理与等效电路模型。由于CPT系统包含电力电子开关和谐振网络,其时域微分方程模型呈现高阶非线性,本文给出了系统的广义状态空间平均模型(GSSA),将系统的时域非线性模型转换成为频域线性状态空间模型,并依据该模型对CPT系统进行了稳态和暂态动力学行为仿真,分析了电路参数变化对系统传输效率的影响。最后本文通过实验验证了模型及仿真结果。