用于超级电容储能系统的三电平双向直流变换器及其控制

传统两电平DC-DC变换器开关器件承受电压应力高,输出电流纹波大。本文采用一种三电平双向直流变换器控制超级电容的能量流动,有效提高了超级电容充放电效率和输入电压等级。分析了三电平双向直流变换器的工作原理及其控制策略,在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型,验证了三电平双向直流变换器拓扑的优点,并实现了对直流网压、飞跨电容电压以及超级电容充放电电流的控制;样机实验表明了该变换器及其控制的合理性和有效性。     

软开关PWM三电平直流变换器

系统地提出PWM三电平直流变换器的一族共9种控制方式,根据一对开关管中两只开关管的关断情况,将这9种控制方式归纳出两类开关切换方式。引入超前管和滞后管的概念,提出它们实现软开关的方式,将软开关PWM三电平直流变换器归纳为零电压开关和零电压/零电流开关两类,并分别指出适合它们的控制策略。提出在零状态电流复位的方法,提出几种零电压/零电流开关三电平直流变换器的电路拓扑。     

软开关PWM三电平直流变换器的控制策略

系统地提出PWM三电平直流变换器的一族共九种控制方式，根据一对开关管中两只开关管的关断情况，将这九种控制方式归纳出两类开关切换方式。引入超前管和滞后管的概念，提出它们实现软开关的方式，然后将软开关PWM三电平直流变换器归纳为零电压开关和零电压/零电流开关两类，并分别指出适合它们的控制策略。提出在零状态电流复位的方法，并提出几种零电压/零电流开关的电路拓扑。     

软开关三电平DC/DC变换电路的发展及分析

介绍了三电平直流变换器的突出优点及其与软开关技术相结合的发展趋势、各发展时期有技术代表性的典型电路拓扑结构及其主要性能特点。针对零电流技术中因引入储能电容而引起的副边高电压应力问题,提出了一种新型的零电压零电流软开关三电平直流变换电路拓扑:通过耦合电感实现电流回零,通过改变耦合电感的变比来方便地设定原边环流置零时间,降低环流损耗,实现内管的零电流关断。实验样机验证了这种电路的主要性能,电压电流实验波形显示了三电平的低电压应力特点和零电压开通、零电流关断的软开关性能。     

双有源桥直流储能系统软开关优化控制

传统直流储能系统中电容器荷电状态(state of charge, SOC)的变化会导致直流变换器两端电压不匹配,使得功率器件无法处在软开关状态,从而增加了开关损耗。通过分析软开关控制与电容器SOC之间的关系,本文提出一种双有源桥(dual active bridge, DAB)直流储能系统软开关优化控制,实现储能系统在充放电过程中,各功率器件始终处在软开关状态,维持直流母线电压稳定,降低功率损耗。该方法将储能电容SOC变化引入DAB移相控制,确定SOC与移相角的定量关系,使直流变换器功率器件满足软开关条件。根据直流母线电压及储能系统充放电特性,设计恒压、恒流充电和恒压、恒功率放电控制方法。仿真与实验结果验证了所设计软开关优化控制方法的有效性。     

用于超导储能系统的电流调节器试验研究

为实现超导线圈和电网之间的快速双向转换,设计了一种由电压型变换单元、高频变压器单元、电流型变换单元3部分构成的电流调节器.该电流调节器通过控制它和电压型换流器连接处的电容电压值来调节超导磁体充放电的方向,并采用双极性控制.最后给出了1台600W的电流调节器样机的试验结果,试验结果表明,该电流调节器可以满足超导储能系统的需要.     

一种改进型零电压开关PWM三电平直流变换器的研究

介绍了一种带输出饱和电感的移相零电压开关PWM三电平直流变换器，与传统的零电压三电平比较，它具有在较宽负载范围内实现零电压软开关；减小副边占空比丢失；减小输出二极管的寄生根荡及电压尖峰等特点。实验样机表明，该电路整机效率高，采用电流峰值控制后，系统的稳定性高，易于实现中大功率DC／DC变换。     

新型ZVZCT PWM直流变换器族的研究

提出了一种新型零电压零电流转换 (ZVZCT)软开关单元 ,并基于该开关单元 ,构造了BuckZVZCTPWM变换器和BoostZVZCTPWM变换器 ,形成新型ZVZCTPWM直流变换器族。详细分析了BuckZVZCTPWM变换器的工作原理 ,主开关管实现了零电压零电流开关 ,辅助开关管实现了零电流开通、零电压零电流关断 ,续流二极管实现了零电压零电流关断、零电压开通。该软开关单元不但适合于少子器件 ,而且适合于多子器件 ,同时保持PWM控制的特点。仿真分析和实验结果完全验证了理论分析的正确性     

超导储能在并网直驱风电系统中的应用研究

针对直驱风电系统并网运行过程中存在的输出有功功率波动和低电压穿越问题,在变换器的直流环节并联超导储能系统。对超导储能系统的斩波器提出双闭环加脉冲判断的控制策略,确保超导磁体线圈电流水平,使超导储能系统可以快速、准确地充放电,从而稳定直流环节功率。同时,通过引入谐振控制器的方法,对网侧变换器的控制策略进行改进,实现电网电压不对称跌落情况下,负序分量引起波动的有效控制。仿真结果表明,采用上述方案后直驱风电系统向电网输送较为平滑的有功功率、低电压穿越能力得到了提升。     

基于NPC型三电平变换器的高速磁悬浮飞轮同步载波驱动技术

相比电池储能，飞轮储能具有功率密度高，瞬时功率大，响应速度快等优点，可有效缓解地铁频繁启停对母线电压的冲击。由于我国地铁直流供电网络多为1 500 V电制，两电平变换器无法用常规1 700 V电压等级器件实现安全驱动，因此，本文提出了基于NPC型三电平变换器的高速磁悬浮飞轮同步载波控制技术。首先，建立了三电平驱动系统稳态及换相动态过程的等效模型，分析了驱动电压和定子电流的数学关系；然后，提出了一种同步载波驱动技术，实现了高压、高速无刷电机的加减速控制；最后，设计了磁悬浮飞轮储能系统工程样机，测试了充放电工况下系统的工作状态。实验结果表明，本文所提方法具备快速大功率充放电功能，在充电或放电工况下三电平变换器中点电压均能够保持平衡，系统可稳定运行在额定1 500 V、40 000 r/min参数附近。     

级联型超导储能系统的整体协调控制方法

提出了级联型超导储能系统的整体协调控制方法，当系统未产生电压凹陷时，级联型逆变器通过相位控制实现对超导磁体的充电和电流维持；当系统产生电压凹陷时，通过状态空间反馈的方法迅速实现完全补偿，以保护电压敏感的负载；当凹陷解除时，又通过相角的渐变从电网吸收能量，以补偿超导磁体中能量的消耗。同时，在电流调节器的控制中，采用统一PI电压控制模式以保持级联逆变器直流母线电压的稳定。系统仿真结果表明，本文提出的方法控制电压凹陷的效果较好。     

基于超导储能的动态电压恢复器的研究

为了给动态电压恢复器提供工作时所需能量,采用了直—直斩波电路将超导储能装置接于动态电压恢复器中。在分析了储能部分的电路构成后采用PI调节分别控制超导线圈的充、放电过程,其充电过程采用电流控制模式,放电过程采用电压控制模式从而有效地克服了外界干扰和参数变化等不利因素,充分发挥超导储能快速充放电和高能量密度转换的特性;基于dq变换检测控制动态电压恢复器的工作,并对系统在电压暂降情况下动态电压恢复器的工作状况进行了仿真分析。仿真结果表明这种基于超导储能的动态电压恢复器可迅速有效的补偿电压暂降,维持敏感负荷的电压恒定。     

新型电动汽车双向隔离型DC-DC变换器控制策略

双向隔离型DC-DC变换器在超级电容储能供电的电动汽车上应用广泛,为了实现变换器中所有开关管零电压开关(ZVS)过程,提高双向隔离型变换器效率,提出了一种新型双向有源桥式变换器控制策略。在桥式变换器中增加并联谐振电感,利用占空比补偿的方法对驱动信号进行补偿,对谐振腔的电流值进行设计求解,选取合适的谐振电感值,对谐振过程中桥式结构一次侧和二次侧电压的相位差进行控制,通过脉宽调制(PWM)处理器综合调制后控制双向隔离型变换器。保证了能量双向流动的同时,实现了双向隔离型DC-DC变换器中所有开关管ZVS过程。试验测试表明,所提出的新型控制策略能够有效提高双向隔离型DC-DC变换器的效率。     

Particle Swarm Optimization-based Superconducting Magnetic Energy Storage for Low-voltage Ride-through Capability Enhancement in Wind Energy Conversion System

Abstract— This article presents a novel application of the particle swarm optimization technique to optimally design all the proportional–integral controllers required to control both the real and reactive powers of the superconducting magnetic energy storage unit for enhancing the low-voltage ride-through capability of a grid-connected wind farm. The control strategy of the superconducting magnetic energy storage system is based on a sinusoidal pulse-width modulation voltage source converter and proportional–integral-controlled DC-DC converter. Control of the voltage source converter depends on the cascaded proportional–integral control scheme. All proportional–integral controllers in the superconducting magnetic energy storage system are optimally designed by the particle swarm optimization technique. The statistical response surface methodology is used to build the mathematical model of the voltage responses at the point of common coupling in terms of the proportional–integral controller parameters. The effectiveness of the proportional–integral-controlled superconducting magnetic energy storage optimized by the proposed particle swarm optimization technique is then compared to that optimized by a genetic algorithm technique, taking into consideration symmetrical and unsymmetrical fault conditions. A two-mass drive train model is used for the wind turbine generator system because of its large influence on the fault analyses. The systemic design approach is demonstrated in determining the controller parameters of the superconducting magnetic energy storage unit, and its effectiveness is validated in augmenting the low-voltage ride-through of a grid-connected wind farm.     

一种新型高效电动汽车双向DC-DC变换器

电动汽车与电网端的能量传递过程受到广泛研究。以电动汽车用CLLC式双向DC-DC变换器为基础,在电动汽车端增加了超级电容交错并联倍流储能放能回路,提出一种新型高效双向DC-DC变换器。对新型高效双向DC-DC变换器的正向和反向工作过程进行分析,研究了增益特性,提出了开关管实现零电压开关（ZVS）的条件,对开关管电应力进行分析。制作了800 W试验样机,样机测试结果验证了新型双向DC-DC变换器中开关管能实现ZVS,开关管峰值电流小,与传统双向DC-DC变换器相比,效率得到提升。     

大功率海洋电磁发射机DC-DC可控源电路特性分析

海洋电磁发射机通过向海底发射大功率的电磁波,来获取海底结构和矿产资源的分布规律,但目前发射机存在体积大、发射功率小等问题,直接影响勘探深度。提出采用PWM变换器组成发射机DC-DC可控源电路,然而常规的零电压开关全桥(ZVS-FB)PWM变换器存在高环流能量、占空比丢失以及滞后桥臂的ZVS范围受限等问题,为此介绍一种利用零电压零电流开关全桥(ZVZCS-FB)PWM变换器组成可控源电路。采用非对称移相控制,分析电路工作过程及特性,主要包括最大控制占空比、一次电流复位和隔直电容、占空比丢失、开关损耗以及环流能量等。仿真和实验结果表明该DC-DC可控源电路实现了超前桥臂的ZCS开通和ZVS关断以及滞后桥臂的ZCS开通和关断,提高了电路效率和功率密度。     

飞轮储能系统双向准谐振软开关DC-DC变换器的研究

飞轮储能因其具有高效、节能、清洁等诸多优点,是未来重要的储能电源形式之一。虽然已有部分飞轮储能系统产品问市,但是大功率飞轮储能系统仍然处于研究之中。本文介绍了一个开发中的应用于大功率飞轮储能系统的双向准谐振软开关DC-DC变换器,有效实现了开关管的零电压开通和零电压关断。其突出的优点在于,结构精简及较低的开关损耗,在确保飞轮储能系统快速充放电的基础上,降低了整套系统的电磁干扰(EMI)水平。     

集成SMES和CS-SGSC的双馈型风力发电系统

双馈型风力发电机面临能量输出不稳定和低电压穿越能力弱2个主要问题。为了同时解决这2个问题,提出了一种集成超导储能系统和电流型串联网侧变流器的双馈型风力发电系统。该系统利用超导磁体作为能量储存和缓冲环节,提高了能量输出的稳定性;利用电流型串联网侧变流器实现了对定子电压的保护,提升了双馈型风力发电机的低电压穿越能力。仿真结果证明了该拓扑结构及其控制策略的有效性。     

一类新型的单相直接式电流型多电平变流器拓扑

目前的多电平变换技术主要是针对电压型逆变器.随着超导储能技术的发展,电流型逆变器的储能效率问题必将得到解决,电流型多电平逆变器也将得到广泛应用.文中提出了一类新型单相直接式电流型多电平拓扑.该类拓扑结构非常简单,所用开关器件和均流电感的数目非常少.文中分析了由该类拓扑组成的单相五电平、七电平变流器的工作原理,并研究了它们在感性负载和容性负载时的变流器输出波形.针对该类拓扑,还给出了一种通过调节输出电平宽度消除低次电流谐波的方法.仿真和实验结果验证了新拓扑的正确性和谐波消除法的可行性.