A distributed VSG control method for a battery energy storage system with a cascaded H-bridge in a grid-connected mode

With the high penetration of renewable energy,new challenges,such as power fluctuation suppression and inertial support capability,have arisen in the power sector.Battery energy storage systems play an essential role in renewable energy integration.In this paper,a distributed virtual synchronous generator(VSG)control method for a battery energy storage system(BESS)with a cascaded H-bridge converter in a grid-connected mode is proposed.The VSG is developed without communication dependence,and state-of-charge(SOC)balancing control is achieved using the distributed average algorithm.Owing to the low varying speed of SOC,the bandwidth of the distributed communication networks is extremely slow,which decreases the cost.Therefore,the proposed method can simultaneously provide inertial support and accurate SOC balancing.The stability is also proved using root locus analysis.Finally,simulations under different conditions are carried out to verify the effectiveness of the proposed method.

基于双向半桥LLC谐振变换器的退役电池组均衡方法

退役电池在储能应用过程中,由于其较大的不一致性问题会导致退役电池组出现过充或过放现象,从而限制电池组整体的容量甚至引起热失控,造成安全隐患。针对以上问题,设计一种基于双向半桥LLC谐振变换器的有源均衡电路。该均衡电路通过开关阵列与隔离型双向半桥LLC谐振变换器的相互配合,能够实现单体电池与电池组整体之间的能量传递,使退役电池组中各单体电池达到能量平衡。另外,为进一步提高均衡器的均衡速度及精度,提出一种联合电压与荷电状态(SOC)共同作为均衡变量的多状态均衡控制策略。依据电池组当前不同的能量状态,在电池组静置、充电及放电3种不同状态下,分别采用不同的均衡变量以及对应的均衡策略,从而实现电池组的快速均衡。最后,通过搭建小型的均衡实验样机对6节串联电池进行均衡实验,实验结果表明,所提均衡方法具有较快的均衡速度及较好的均衡效果。

两桥臂交叉解耦不平衡控制策略研究

由于非不平衡控制策略中没有考虑线电压和相电流的相角差,造成三相电网的有功、无功电流无法完全补偿。为了解决这一问题,根据电压电流相角差,推导出单相补偿器中无功参考补偿电流与负载电流的关系,提出一种两桥臂交叉解耦不平衡控制策略,利用多变量滤波器和交叉解耦双复系数滤波器优化锁相环,精确锁定三相不平衡电网的电压频率和相位,对2个单相背靠背变换器的无功电流分别控制,进而利用两桥臂变换器补偿三相不平衡无功。实验结果验证了所提两桥臂交叉解耦不平衡控制策略,可抑制三相有功不平衡及补偿三相不平衡无功,将三相电流的不平衡度从150.0%降低至2.6%,三相电网功率因数从0.257提升至0.997,减少了三相无功补偿器的开关管个数。

基于PWM+移相的双有源半桥DC-DC变换器分析及其控制

该文针对双有源半桥(DAHB)DC-DC变换器宽电压范围运行下电容电压计算不准确、单移相控制粗放等不足,提出一种基于PWM+移相的三自由度优化控制(TFC)策略。首先,基于DAHB的数学模型,推导桥臂串联电容稳态电压表达式。在此基础上,从最小化回流功率角度得到三自由度控制的最优开关模式,推导了电流、功率等关键电气量的解析表达式,并获得以电流应力最小化为目标的包含等式和不等式约束的局部最优解方程组。其次,针对最优方程组难以解析求解的问题,采用模型简化+线性近似的方法求取其局部最优解,得到DAHB全工况PWM+移相的三自由度优化控制策略。然后,分析所提出的三自由度优化控制下DAHB变换器的软开关特性。最后,通过仿真及实验验证了桥臂串联电容稳态电压表达式的正确性和三自由度优化控制策略的有效性。

基于双向半桥CLLLC谐振变换器的锂电池均衡电路

锂电池因其能量密度高、自放电率低等优点被广泛应用于新能源领域。由于每个电池单体容量不尽相同,在使用时往往伴随着电池过充、过放等问题,电池使用寿命将受到极大影响,严重时甚至会出现自燃、爆炸等安全问题。该文提出基于双向半桥CLLLC谐振变换器的锂电池均衡电路,通过其在不同工作状态下的四种工作路径,可实现任意电池单体间的容量均衡。搭建一套6个电池单体的均衡电路,根据实验结果验证了所提基于双向半桥CLLLC谐振变换器的锂电池均衡电路具有均衡路径灵活、均衡速度快、均衡效率高和绕组数量减半等优点。

基于时域前馈的LLC变换器全半桥切换控制

由于全桥和半桥LLC谐振变换器之间天然的两倍增益比,全半桥拓扑切换可以极大地拓展LLC变换器的电压增益范围,且不需要额外的元器件。然而,由于全桥和半桥模式的LLC变换器具有不同的电压增益曲线,拓扑切换前后的暂态过程会使得输出电压产生突变,甚至可能会导致系统的不稳定。为抑制拓扑切换的暂态过程,这里提出了一种基于时域分析的前馈控制方法。该策略通过时域分析计算LLC变换器当前工况的理想开关频率,将其前馈加入传统线性控制器中,以实现输出电压的快速调节。最后利用实验样机验证了所提控制策略的有效性。

一种应用于车载辅助电源的DC-DC变换器

以应用于车载辅助电源模块APM(auxiliary power module)的DC-DC变换器设计为研究对象,提出1种由三电平升压型TL-Boost(three-level Boost)拓扑和半桥LLC谐振拓扑构成的两级式DC-DC变换器拓扑结构,分析其工作原理。前级TL-Boost拓扑将宽范围的输入电压转换为稳定电压,保证了后级半桥LLC谐振拓扑的高效率运行。通过搭建实验平台并进行相关实验,结果验证了所提DC-DC变换器的可行性和正确性。

一种用于交流伺服系统的电源变换器

为了解决因传统交流伺服系统引起的电网“污染”问题,以及增强系统的抗电磁干扰能力,因此,根据设计输入指标的要求,提出了有源功率因数校正与LLC半桥拓扑相结合的方案,并且基于PSIM仿真软件搭建了电源系统仿真平台,完成了输出1 000 W/48 V工程样机研制。试验结果表明,该设计不仅可以有效地提高输入功率因数,而且可以增加电源系统工作效率,此外,由于后级采用隔离变压器,将输入与输出隔离,因此可以减少电磁干扰对控制驱动器的影响,大大增强了交流伺服系统的可靠性。

低直流电压下混合型MMC器件损耗分布优化控制

低直流电压运行工况下,混合型模块化多电平变换器(MMC)器件损耗分布不均匀,逆变工况下,半桥子模块(HBSM)下部绝缘栅双极型晶体管(IGBT)损耗尤为突出,降低了换流器运行可靠性。为此,提出一种全、半桥模组输出电压差异化控制与HBSM降压相结合的损耗分布优化方法。首先计算低直流电压下混合型MMC的器件损耗。然后利用全、半桥模组输出电压差异化控制降低目标器件的通态损耗。分析发现,差异化控制降低通态损耗的同时会增加器件开关损耗,因此结合HBSM电容降压减小其开关损耗,使器件损耗优化效果达到最佳。最后,通过小功率实验平台验证所提方法的有效性。

基于源网限流贡献度配合的MMC-HVDC系统自适应故障限流策略

故障限流是保障直流输电系统安全运行的关键技术,现有源侧和网侧限流方法通常独立配置且未与故障严重程度相匹配,难以兼顾限流能力与设备成本。针对上述问题,该文提出一种考虑故障严重程度的源网自适应限流策略,利用源侧模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)与网侧故障限流器(fault current limiter,FCL)的限流贡献度配合,实现主动匹配限流目标和故障条件的自适应限流。能够在保障限流能力的前提下,降低FCL配置成本及MMC降压运行对电网的不利影响。首先,分别定量分析源侧MMC与网侧FCL的限流贡献度,进而推导考虑限流贡献度配合的源网协同限流计算方法;基于此提出限流贡献度匹配故障严重程度的自适应故障限流策略;最后,在电磁暂态仿真中对所提策略的有效性进行验证。

一种半桥LLC高压电源设计与实现

设计一种基于半桥LLC谐振变换器的高压电源,其基本结构包括逆变电路、谐振电路、倍压整流电路和反馈控制电路,可用于微波功率模块集成电源。为实现高压电源的高效率,详细分析了半桥LLC谐振电路中场效应管零电压开启的实现条件,并给出了实现该条件所需电路关键参数的计算方法。通过计算机仿真辅助优化电路参数,降低了场效应管和变压器的损耗。最后,研制了一台高压电源原理样机,其输出电压为-3000 V,满载输出功率为300 W,在245~300 V输入电压范围内效率大于96%,峰值效率为97.5%。

考虑右半平面极点的三相并网变换器小干扰稳定性分析

电力电子设备渗透率的不断提高使得电力系统转动惯量和阻尼水平下降,对新型电力系统安全稳定运行带来不可忽略的影响。目前并网变换器系统判稳方法常采用奈奎斯特判据和广义奈奎斯特判据,但这两种判据均适用于阻抗比中不含右半平面(right half plane, RHP)极点的场景。针对上述问题,基于考虑正负序耦合和源荷之间耦合的等效单输入单输出(single-input single-output, SISO)系统阻抗模型,提出了考虑RHP极点的三相变换器并网系统判稳方法。首先,对研究系统的RHP极点个数及奈奎斯特曲线包围点(-1, j0)的次数进行估算。然后,在奈奎斯特判据的基础上,利用SISO系统阻抗伯德图进行分析,在系统存在RHP极点的情况下对系统的稳定性进行判断。最后,基于Matlab/Simulink中搭建电磁暂态仿真模型,验证了在有无RHP极点的不同场景下,所提判稳方法均能对三相变换器并网系统的小干扰稳定性进行有效分析。

具有零电压开关的高升压半桥Boost变换器

为了解决半桥Boost变换器电压增益低、开关管电压应力高、硬开关等问题,通过在半桥Boost变换器中级联一组耦合电感升压结构,提出一种变换器以实现较高的电压增益和较低的开关管电压应力。利用耦合电感的漏感,实现所有开关管零电压开关(Zero-voltage-switched,ZVS)和所有二极管零电流开关(Zero-current-switched,ZCS),有效降低开关损耗。此外,所提出的变换器还具有公共接地和连续输入电流的优点。分析变换器的工作原理,给出变换器的各项性能参数以及变换器开关管实现ZVS导通的条件。对比其他高升压变换器,所提变换器具有较高的电压增益和较低的开关管电压应力。最后搭建一台200 W的试验样机,验证所提变换器原理的正确性。

混合储能系统拓扑及其多模式综合协调控制

在分布式发电系统中,储能系统要同时具备高功率密度和高能量密度的特点,单种储能元件往往难以达到这个要求,蓄电池与超级电容在性能上具有很强的互补性。此处将蓄电池与超级电容分别通过双向半桥变换器连接到直流母线上构成混合储能系统(HESS),蓄电池稳定直流母线电压以维持母线上能量供需平衡,超级电容迅速提供负载波动功率高频分量,抑制负载突变对直流母线造成的冲击。分析了负载功率高频分量的检测方法,建立了双向半桥变换器的数学模型和4种模式下的控制策略。利用DSP实现储能系统的综合控制,通过仿真和实验验证了系统控制策略的有效性。

高速公路服务区微电网无源控制策略

为减少高速公路服务区微电网在孤岛大负荷投切、运行模式切换等恶劣运行条件下母线电压和系统频率的波动,针对基于交流侧三相桥式变流器和直流侧半H桥变换器的储能装置变流器,设计基于非线性无源控制理论的控制策略。在交直流侧分别建立系统的端口受控哈密尔顿模型,并通过设定平衡点、求解能量匹配方程和阻尼注入,设计2个无源控制器分别追踪功率和控制电压,仿真结果验证了控制策略的有效性。相比传统控制策略,采用无源控制策略,一方面可减少系统控制参数,降低控制设计的复杂度;另一方面可降低交流侧功率和直流侧电压响应的超调量,减小动态调整时间,从而提升恶劣运行条件下微电网的稳定性。

基于半桥子模块构成的模块化多电平变换器研究

模块化多电平变换器(Modular multilevel converter,MMC)适用于中高压应用场合,具备损耗小、传输效率高、开关频率低、开关损耗低、输出谐波少等优点。研究以半桥子模块构成的MMC的工作原理以及其调制策略,并以MATLAB/simlink仿真软件为平台搭建仿真模型,仿真结果表明,最近电平逼近调制策略能够实现MMC输出谐波含量低的电压。

副边调整式三端口半桥DC-DC变换器

在包含储能环节的独立新能源发电系统中,采用三端口变换器代替多个独立的变换器具有效率高、功率密度高、可靠性高和体积成本低等优点。分析三个端口之间的功率关系,发现了半桥变换器的原边电路寄生双向Buck/Boost拓扑,据此提出基于半桥式拓扑的隔离式三端口变换器拓扑生成思想;给出副边调整式和原边调整式两类三端口半桥变换器拓扑。以其中的副边调整式三端口半桥变换器拓扑为例,分析变换器的工作原理并进行实验验证,实验结果验证了所提出拓扑和理论分析的正确性。

蓄电池与超级电容混合储能系统的控制策略

在分布式发电系统中,储能系统要同时具备高功率密度和高能量密度的特点,单种储能元件往往难以达到这个要求,蓄电池与超级电容在性能上具有很强的互补性。本文将蓄电池与超级电容分别通过双向半桥变换器连接到直流母线上构成混合储能系统,蓄电池稳定直流母线电压以维持母线上能量供需平衡,超级电容迅速提供负载波动功率高频分量,抑制负载突变对直流母线造成的冲击。分析了负载功率高频分量的检测方法,建立了双向半桥变换器的数学模型和四种模式下的控制策略。利用DSP实现储能系统的综合控制,通过仿真和实验验证了系统控制策略的有效性。

同步整流式三端口半桥变换器

提出一种适用于独立新能源供电系统的同步整流式三端口变换器拓扑。该拓扑形式与同步整流半桥变换器相同,蓄电池并联于分压电容,变压器同时用作储能电感,同步整流支路为此电感-变压器的电流提供续流回路;原边两开关管相互独立控制,实现三个端口之间的功率控制,并且任意两端口之间均为单级功率变换;详细分析变换器的工作状态、原理和电路模态,实验验证了拓扑及理论分析的正确性。将拓扑构成和控制思想推广,进一步提出其它形式的三端口和多端口半桥变换器。

高频隔离型电动汽车快速直流充电器研究

研究了一种新颖的高频隔离型电动汽车快速充电直流变换拓扑结构,在传统移相全桥变换器基础上加入简单的辅助网络实现移相全桥ZVZCS,为确保滞后桥臂实现ZVS,将移相全桥ZVZCS结构与半桥LLC谐振电路通过共享滞后桥臂相结合构成混合全桥-半桥电路,变换器以串联形式输出,由PWM移相来控制。论述了为改善传统移相全桥ZVS电路缺陷已提出的一些改进型结构,详细分析了所提出的混合型变换器的工作原理和工作特性,最后研制了15 kW的实验样机,验证了该结构的正确性和优越性。