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双有源桥式dc-dc变换器线性自抗扰控制策略研究

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双有源桥式DC-DC变换器线性自抗扰控制策略研究

作者：温洪宇天津理工大学

学位级别：硕士

隔离型双有源桥式dc-dc(DAB)变换器,它具有双向功率流、高功率密度、易于实现零电压开关、方便进行级联和并行处理等优点。因而,此转换器被广泛用于分布式发电系统、直流微电网系统、电动汽车充电系统等。DAB变换器在系统中起到承上启... 详细信息

隔离型双有源桥式dc-dc(DAB)变换器,它具有双向功率流、高功率密度、易于实现零电压开关、方便进行级联和并行处理等优点。因而,此转换器被广泛用于分布式发电系统、直流微电网系统、电动汽车充电系统等。DAB变换器在系统中起到承上启下的作用,它的控制效果会直接影响到能量转换系统各个环节。因此,DAB变换器的鲁棒性控制也受到很多学者的关注。本文主要以新能源直流转换系统中DAB变换器为研究对象,以稳定直流母线电压为研究目的。首先对dc-dc变换器的应用前景、拓扑结构做了详细的介绍,然后对DAB变换器单移相控制(SPS)的六种工作模态进行了详细分析,通过小信号建模方法推导出了变换器的数学模型,并设计了单电压闭环控制。为了提高变换器鲁棒性能,在此基础对控制器进行了优化设计研究。针对传统线性自抗扰控制(LADRC)对总扰动的观测能力较差的问题,本文提出一种改进型LADRC策略,将总扰动的微分扩张为一个新的状态变量,并将其应用在DAB变换器的控制器上,明显改善了观测器的观测性能,提高了变换器的动态响应和鲁棒性,最后在MATLAB/Simulink仿真平台上,验证了改进型LADRC控制器的良好控制效果。针对传统的直接功率控制对模型的依赖性,本文将线性自抗扰控制与直接功率控制相结合,提出了一种自抗扰-直接功率控制(ADR-DPC)策略,使其变换器的电感参数不参与控制,利用线性扩张状态观测器(LESO)对系统不确定性及扰动进行实时观测和补偿,解决了传统直接功率控制对系统参数的依赖性,同时也提高系统的抗扰能力。最后在MATLAB/Simulink仿真软件上搭建了DAB变换器的模型,通过在电源侧和负载侧设计不同的工况来验证所提控制方案的有效性。

关键词：双有源桥式dc-dc变换器单移相控制线性自抗扰控制自抗扰-直接功率控制

双有源桥式dc-dc变换器宽范围高效率优化调制策略

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双有源桥式DC-DC变换器宽范围高效率优化调制策略

作者：王桥东北电力大学

学位级别：硕士

双有源桥式(Dual Active Bridge,DAB)dc-dc变换器由于其本身具有的良好软开关特性、高功率密度以及电气隔离等特点,在能源的收集、转换、传输中具有显著的优势,在储能、直流电网、新能源汽车充电桩中得到了广泛应用。全功率范围下的优... 详细信息

双有源桥式(Dual Active Bridge,DAB)dc-dc变换器由于其本身具有的良好软开关特性、高功率密度以及电气隔离等特点,在能源的收集、转换、传输中具有显著的优势,在储能、直流电网、新能源汽车充电桩中得到了广泛应用。全功率范围下的优化调制策略是DAB变换器的研究热点之一,但时域下诸多的模式分析,使得模型的建立较为复杂,且DAB变换器在轻载下的软开关过程、死区效应分析等方面还存在着些许不足,使得变换器的性能没有被完全利用。本文为建立统一的DAB模型,在频域下提出相关的优化调制策略;为提高轻载工况下的传输效率,结合死区设计,提出了相关的优化调制策略,并通过实验验证其有效性。具体工作安排如下:首先,在时域下分析了DAB变换器的单移相(Single Phase Shift,SPS)调制的开关状态及工作原理;在此基础上分析了三重移相(Triple Phase Shift,TPS)调制的各种工作模式,验证了全功率范围下的电流应力优化调制策略;在频域下分析DAB变换器的统一模型,与时域下的TPS调制相比,极大简化了分析的复杂程度。并通过矢量分析方法,提出了电流有效值优化调制策略。其次,在时域下总结了当死区时间不适时,DAB变换器的死区效应;分析了DAB变换器的软开关范围;分析了DAB变换器各开关器件实现软开关切换的最优死区时间;详细分析了轻载工况下DAB变换器的死区重叠现象,并针对轻载工况下无法实现全开关ZVS这一现象提出了三种解决方案,以尽可能的降低DAB变换器的开关损耗。最后,结合死区分析过程,针对轻载工况下的死区重叠现象提出了两种调制策略。其中,死区线性化策略考虑到了死区时间对波形的影响,将缓冲电容与等效电感进行能量交换的二阶暂态过程进行线性化处理,并将死区时间作为一种工作模态加入到策略的推导中,但这一方法并未实现全开关器件的软开关切换;死区补偿策略在电流应力调制策略的基础上,利用理论上零功率传输阶段,在保证能量守恒下,通过采用提前切换时间的方式,实现全开关器件在轻载工况下的软开关切换,以同时降低开关损耗和通态损耗,提高DAB变换器在轻载下的传输效率。

关键词：双有源桥式dc-dc变换器优化调制策略轻载软开关特性死区设计

一种优化电流应力的双有源桥式dc-dc变换器双重移相调制策略

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电工技术学报 2021年第S01期36卷 274-282页

作者：王仁龙杨庆新操孙鹏刘鹏李珊瑚省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津300132 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学) 天津300132

为了减小双有源桥式(DAB)dc-dc变换器在传统双重移相调制下(DPS)非重载区的电流应力,该文提出一种优化的双重移相(ODPS)调制策略。该优化的双重移相调制通过对内外移相角之间的关系重新约束,将影响电流应力最大的调制系数设置为0来减小... 详细信息

为了减小双有源桥式(DAB)dc-dc变换器在传统双重移相调制下(DPS)非重载区的电流应力,该文提出一种优化的双重移相(ODPS)调制策略。该优化的双重移相调制通过对内外移相角之间的关系重新约束,将影响电流应力最大的调制系数设置为0来减小电流应力,从而提高变换器整体效率。通过对优化的双重移相调制传输功率、电流应力和回流功率建立数学模型,并与传统DPS进行对比,分析两种移相调制同一传输功率下电流峰值和回流功率。最后通过实验验证了该文提出的优化的双重移相在非重载条件下电流峰值、输出效率等性能的优越性和理论分析正确性。

关键词：双有源桥式dc-dc变换器双重移相调制电流应力回流功率效率

双重移相控制与传统移相控制相结合的双有源桥式dc-dc变换器优化控制策略

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电工技术学报 2016年第19期31卷 97-105页

作者：吴俊娟孟德越申彦峰沈虹孙孝峰电力电子节能与传动控制河北省重点实验室(燕山大学) 秦皇岛066004

为减小双有源桥式dc-dc变换器的功率损耗,提出一种双重移相加传统移相控制的优化控制策略,保证漏感电流有效值最小,同时使得所有开关管实现零电压开通(ZVS)软开关。首先分析变换器在传统移相和双重移相下的传输功率特性和软开关范围。... 详细信息

为减小双有源桥式dc-dc变换器的功率损耗,提出一种双重移相加传统移相控制的优化控制策略,保证漏感电流有效值最小,同时使得所有开关管实现零电压开通(ZVS)软开关。首先分析变换器在传统移相和双重移相下的传输功率特性和软开关范围。在此基础上,通过建立漏感电流有效值、传输功率及软开关条件的数学模型,得出一条最优控制轨迹。该轨迹确保变换器工作于最小电流有效值状态且可以实现ZVS软开关,从而显著减小系统的导通损耗和开关损耗,实现了双有源桥变换器的优化控制。实验结果验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性。

关键词：双有源桥式dc-dc变换器双重移相控制电流有效值优化控制

含双有源桥式dc-dc变换器的多端直流系统稳定性分析

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电工电能新技术 2020年第10期39卷 10-19页

作者：刘垚孔力邓卫裴玮中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 中国科学院洁净能源创新研究院大连116023

通过柔性直流技术将多个交直流系统互联形成多端直流系统,是未来电网的重要形态之一。不同电压等级的直流系统可以通过双有源桥式dc-dc变换器接入直流母线。文章建立了含双有源桥式dc-dc变换器的多端直流系统的戴维南等效电路及其状态... 详细信息

通过柔性直流技术将多个交直流系统互联形成多端直流系统,是未来电网的重要形态之一。不同电压等级的直流系统可以通过双有源桥式dc-dc变换器接入直流母线。文章建立了含双有源桥式dc-dc变换器的多端直流系统的戴维南等效电路及其状态空间小信号模型,提出了适用于多端直流系统的阻抗匹配稳定性分析方法;分析研究了静态工作点、传输线长度、直流电容大小等参数变化对系统稳定性的影响,进一步利用奈奎斯特稳定判据确定系统的稳定边界;并搭建了多端直流系统的仿真模型,通过仿真分析对所提出的稳定性分析方法和结论相应进行了验证。

关键词：双有源桥式dc-dc变换器多端直流系统小信号模型稳定性分析

基于双有源桥式dc-dc变换器的电力电子牵引变压器的电压平衡控制

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电工技术学报 2016年第A01期31卷 119-127页

作者：杨景熙刘建强张捷频郑琼林北京交通大学电气工程学院北京100044

提出一种基于双有源桥式(DAB)dc-dc变换器的电力电子牵引变压器(PETT)的电压平衡控制策略,分析这种控制策略的作用机理,并提出一种PETT的起动控制方法。建立单个DAB的数学模型、DAB并联系统的整体模型以及DAB并联系统的电压平衡控制模型... 详细信息

提出一种基于双有源桥式(DAB)dc-dc变换器的电力电子牵引变压器(PETT)的电压平衡控制策略,分析这种控制策略的作用机理,并提出一种PETT的起动控制方法。建立单个DAB的数学模型、DAB并联系统的整体模型以及DAB并联系统的电压平衡控制模型,以方便、有效地进行输出电压控制器、输入电压平衡控制器的设计。基于两单元PETT实验平台,开展仿真和实验研究,仿真和实验结果一致,变换器的稳态和动态控制性能良好。仿真和实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。

关键词：电力电子牵引变压器双有源桥式dc-dc变换器电压平衡控制 PETT起动控制

基于SiC MOSFET的双向有源桥式dc-dc变换器设计与优化控制

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基于SiC MOSFET的双向有源桥式DC-DC变换器设计与优化控制

作者：杨柯欣西南交通大学

学位级别：硕士

现今,电能变换系统主要是利用工频变压器实现电气隔离和电压匹配,然而,大体积、笨重、低效率和噪声大的工频变压器成为了提高电能变换系统效率和功率密度的阻碍,随着半导体技术和磁性材料的发展,使用高频变压器替代工频变压器被认为是... 详细信息

现今,电能变换系统主要是利用工频变压器实现电气隔离和电压匹配,然而,大体积、笨重、低效率和噪声大的工频变压器成为了提高电能变换系统效率和功率密度的阻碍,随着半导体技术和磁性材料的发展,使用高频变压器替代工频变压器被认为是下一代电力变换器的发展趋势,无工频变压器的电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)越来越受到关注。PET由于其高功率密度、高效率、小体积等优点,可广泛应用于电动汽车、分布式发电乃至列车电力牵引系统。同时,以碳化硅(Silicon Carbide,SiC)和氮化镓(Gallium Nitride,GaN)为代表的宽禁带半导体器件由于其高阻断电压、高开关频率、耐高温、开关速度快且开关损耗小等优良特性受到广泛关注。PET的核心部分包含前级的单相级联脉冲整流器和后级双有源桥式(Dual Active Bridge,DAB)dc-dc变换器。由于前级整流器直流侧存在二倍网侧频率的电压脉动,一般在直流侧增加LC谐振电路来抑制该脉动电压,然而增加LC谐振电路会增加电路的体积和成本。因此本文提出一种基于输入电压前馈的最小电流应力控制方法来提升变换器的效率和动态特性,降低电力电子变压器前级脉冲整流器直流侧二次脉动对DAB变换器的影响,并在搭建的基于SiC MOSFET的DAB dc-dc实验台上进行了验证。首先,分析了DAB变换器在单重相移、扩展相移、双重相移和三重相移控制下的工作原理。使用状态空间建模方法推导了三重相移控制下,变换器的输入-输出电压模型、功率表达式以及小信号模型。其次,根据DAB变换器的输入-输出电压模型推导出了相移量D的表达式,并对结合PI补偿器,得到了现有文献提出的虚拟功率控制、负载电流前馈控制等方法,并对比了以上各种控制的异同点。通过拉格朗日乘法子求解出了最小电流应力值所对应的相移量表达式,得到了最小电流应力控制的数学模型。然后,在输入电压脉动情况下,分析了DAB变换器输入电压与输出电压之间的关系,研究了虚拟功率控制、最小电流应力控制(MCS)和传统PI控制对输出电压脉动的影响关系,分析结果表明传统PI控制对输出脉动的影响很小,虚拟功率控制、最小电流应力控制都可以在一定程度上减小输出电压脉动,但是抑制效果不彻底。然后从理论上证明了输入电压前馈(PI-IVF)控制算法能有效抑制输出脉动电压。将输入电压前馈控制算法与最小电流应力控制算法相结合,提出了基于输入电压前馈的最小电流应力控制算法(MCS-IVF),可提升变换器动态性能和效率,并且能抑制输出脉动电压。最后,为了在硬件上进一步提升变换器的效率,将SiC MOSFET应用于DAB变换器,分析了二极管导通压降对SiC器件在开关过程中尖峰电压的影响关系,给出了通过降低二极管导通压降来抑制尖峰电压的设计方案。设计并搭建了1kW基于SiC MOSFET的DAB变换器实验样机。在该实验平台上,分别对PI-IVF控制、MCS控制和MCS-IVF三种控制方法在动态性能、输出脉动电压抑制和效率三个方面进行了对比实验研究。实验结果表明,PI-IVF控制和MCS-IVF控制都能有效抑制输出脉动电压,而MCS控制的输出脉动电压抑制能力较差。在效率提升方面,MCS-IVF控制和MCS控制明显优于其他方法。因此,MCS-IVF控制不但能有效提升DAB变换器的动态响应和效率,还可有效抑制输出电压脉动。

关键词：电力电子变压器双有源桥式dc-dc变换器 SiC MOSFET 动态特性效率输入电压脉动输入电压前馈控制最小电流应力控制

基于卡尔曼滤波器及深度强化学习的双有源全桥变换器控制策略

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高电压技术 2024年第2期50卷 714-724,I0026页

作者：武涵贾燕冰韩肖清石俊逸孟祥齐电力系统运行与控制山西省重点实验室(太原理工大学) 太原030024

高比例的新能源以及随机性负载大量接入微电网,其不确定性带来的大扰动对直流母线电压的稳定性造成不良影响。为了实现大扰动下快速、自适应的电压调节,针对双有源桥式dc-dc变换器(dualactivebridge,DAB)提出了一种基于卡尔曼滤波器(Kal... 详细信息

高比例的新能源以及随机性负载大量接入微电网,其不确定性带来的大扰动对直流母线电压的稳定性造成不良影响。为了实现大扰动下快速、自适应的电压调节,针对双有源桥式dc-dc变换器(dualactivebridge,DAB)提出了一种基于卡尔曼滤波器(Kalmanfilter,KF)及深度强化学习的新型复合控制策略。设计了基于Actor-Critic架构的深度确定性策略梯度强化学习智能体,采用KF的最佳观测结果作为前馈补偿提高输出电压调节的准确性,通过在线学习自动调整DAB变换器的控制参数,保证直流变换器在面临系统各种扰动问题时均保持稳定,最后通过仿真和实验验证了该控制策略的有效性。

关键词：双有源桥式dc-dc变换器深度强化学习 DDPG智能体卡尔曼滤波器大扰动

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电动汽车双向充放电功率变换器

电动汽车双向充放电功率变换器

作者：董明翰浙江大学

学位级别：硕士

电动汽车因为环保、高效、节能的特点而广受青睐,而电动汽车充电功率变换器是电动汽车系统的重要组成部分。双向充放电技术可以减小可再生能源系统并网的影响,目前正被广泛研究。本文就电动汽车双向充放电功率变换器若干问题进行研究,... 详细信息

电动汽车因为环保、高效、节能的特点而广受青睐,而电动汽车充电功率变换器是电动汽车系统的重要组成部分。双向充放电技术可以减小可再生能源系统并网的影响,目前正被广泛研究。本文就电动汽车双向充放电功率变换器若干问题进行研究,选取了合适的拓扑,设计并优化控制环路与控制策略,优化系统性能。电动汽车双向充放电功率变换器包括前级AC-dc变换器和后级dc-dc变换器。本文首先介绍双向全桥图腾柱AC-dc(PFC)变换器工作原理,对系统进行建模并设计控制环路。使用LCL滤波器减小输入电流纹波,并分析有源阻尼技术和无源阻尼技术工作原理。然后,本文提出双电感电流反馈有源阻尼(dcFAD,Dual Current Feedback as Active Damping)和一种混合阻尼(MD,Mixed Damping)优化PFC输入电流的动态响应。本文提出的两种阻尼方法在网侧电感添加虚拟阻尼,抑制动态过程中的超调,优化动态性能,最后,本文介绍了不同控制策略控制下双有源桥式dc-dc变换器的工作原理,并使用粒子群算法(PSO,Partical Swarm Optimization)优化控制策略。本文以电感电流最大值为目标,使用粒子群搜寻使电感电流最大值较小的控制参数,减小电感电流最大值,提升系统效率。根据理论和参数分析,本文分别设计并搭建了3.3kW PFC和6.6kW双有源桥式dcdc变换器实验平台。通过实验,验证了该方案可行性与理论正确性。

关键词：双向充放电 PFC LCL滤波器动态性能双有源桥式dc-dc变换器控制策略