电流控制

LCL型并网逆变器是分布式发电与电网实现能量双向流动的重要装置，其电流控制方法通常需要多个电压电流传感器实现有源阻尼及并网电流控制，而这会增加系统成本。提出一种基于状态重构准谐振扩张状态观测器的全状态观测系统，只需一个逆变器侧电感电流传感器即可实现对所需状态变量的实时观测。通过在扩张状态观测器中每个状态变量的观测通道添加准谐振环节，解决传统扩张状态观测器跟踪正弦信号需要高观测器增益问题。同时，针对在dq轴坐标系下的并网电流控制存在强耦合问题，设计了将耦合项作为总扰动当中一部分的自抗扰电流控制器，简化了传统电流控制当中复杂的解耦过程。软件数值仿真结果表明，该控制策略表现出良好的观测效果及电流跟踪效果。

为解决并网变换器有限控制集模型预测控制输出电流纹波较大的问题，提出一种并网变换器低复杂度多步递进优化虚拟矢量模型预测控制策略。首先，该方法通过构建各扇区的电压误差方程，对各扇区电压矢量误差进行量化评估。其次，在各扇区电压误差最大的位置上设计虚拟矢量，以减小电流控制误差。然后，通过所提的多步递进优化方法进一步量化分析含有虚拟矢量的各扇区电压矢量误差，并在电压误差最大的位置设计虚拟矢量，进一步减小控制误差。使用该方法进行多次优化，并确定最终优化虚拟矢量，有效减小了输出电流纹波。最后，为降低计算负担设计了扇区判断简化搜索方案，将每个大扇区分为6个小扇区，从而减少候选电压矢量个数，提高了系统的动态响应速度。通过对比实验验证了所提方法的有效性。

模块化多电平直流变压器(modular multilevel direct current transformer，MMDCT)为实现电动汽车充放电集群高效稳定并入城市直流配电网提供了一种可行的解决方案，但其启动过程中存在电容充电和变压器励磁涌流造成的冲击电流。为此，提出了一种基于复合频率控制的快速预充电策略，利用直流量和中频量分别独立MMDCT的原边和副边充电。原边充电采用双闭环控制，副边充电采用变步长移相的峰值电流控制，解决了充电速度和冲击电流之间的矛盾。进一步对多种预充电策略的冲击电流进行了量化对比分析。通过仿真验证了所提出预充电策略的有效性和可行性，结果表明，所提出的方法有效控制了冲击电流大小和充电时间。

针对采用传统比例积分(proportional integral, PI)控制算法的感应电机在面对复杂扰动时控制性能降低的问题，基于矢量控制系统，提出了感应电机的自抗扰(active disturbance rejection control, ADRC)无模型预测控制(model-free predictive control, MFPC)方法。首先，结合转速环和磁链环数学模型，设计了转速环和磁链环的ADRC控制器，对负载变化和内参摄动产生的内外扰动进行观测并补偿。其次，为避免内环控制器对电机参数的依赖，基于无模型控制原理，建立了dq电流环的超局部方程，将控制量之外的变量视为干扰量，并引入非线性扩张状态观测器估计干扰量。最后，结合预测控制思想设计了电流环控制器，得到开关状态作用于逆变器。仿真与实验结果表明提出的算法相对PI算法有更好的抗扰性和鲁棒性，可以有效提高感应电机的动态和稳态性能。

模块化多电平直流变压器(modular multilevel direct current transformer，MMDCT)为实现电动汽车充放电集群高效稳定并入城市直流配电网提供了一种可行的解决方案，但其启动过程中存在电容充电和变压器励磁涌流造成的冲击电流。为此，提出了一种基于复合频率控制的快速预充电策略，利用直流量和中频量分别独立MMDCT的原边和副边充电。原边充电采用双闭环控制，副边充电采用变步长移相的峰值电流控制，解决了充电速度和冲击电流之间的矛盾。进一步对多种预充电策略的冲击电流进行了量化对比分析。通过仿真验证了所提出预充电策略的有效性和可行性，结果表明，所提出的方法有效控制了冲击电流大小和充电时间。

微电网的主要特点之一是能够在并网模式和孤岛模式下运行，进行微电网运行模式之间的切换可能导致电压和频率的显著波动，严重时会威胁到整个系统的稳定性。无缝切换控制策略是保证微电网稳定可靠运行的关键，为解决传统无缝切换控制策略易受干扰影响和动态稳定性差的问题，提出了一种基于改进线性二次调节器的微电网运行模式无缝切换控制策略，该策略包括并网-孤岛平滑调节器和孤岛-并网平滑调节器。并网-孤岛平滑调节器通过对传统电压控制环的改进，可以为系统提供更多的阻尼并补偿逆变器输出处的瞬态电压降，从而改善系统动态性能。同时，通过对传统下垂控制策略的改进，可以根据系统有功功率的变化来调整其下垂系数，在受干扰的情况下能够将频率偏差降低到期望的水平。孤岛-并网平滑调节器考虑内部控制回路和PLL动态的情况下，根据并网控制策略下的状态空间模型对传统电流控制回路进行了改进，可以保证PCC两侧电压的同步性和微电网频率的稳定性。最后，对所提出的控制策略进行了小信号分析，同时研究了孤岛检测算法对控制策略的潜在影响，突出了所提策略的鲁棒性，并验证了所提控制策略能够平滑稳定地实现微电网运行模式间的切换。

电力电子设备已成为现代电网的重要组成部分。大量分布式光伏、电动汽车通过整流、逆变接入传统交流电网，存在能源转化效率不高、源荷匹配灵活性差等问题。发展直流配电，构建交直流混合配电网，是减少电能转换环节、提升综合能效的必由之路。 电力电子变压器（PET）是交直流混合配电网络的核心设备，本项目之前，其组网运行主要存在以下难题：①设备损耗大，长期运行的经济性低；②控制保护难，故障隔离慢，存在系统振荡风险，影响供电可靠性；③运行灵活性差，不利于有效集成分布式能源、合理调配多样性负荷。 项目团队在国家自然科学基金、国网公司科技项目的资助下，开展产学研用协同攻关，研制了高效率多端口电力电子变压器、多功能复用的直流故障电流控制器，突破了交直流配电网控制保护、系统振荡抑制等关键技术，实现了灵活组网、高效运行。 项目获授权发明专利26项，发表论文60篇，出版专著1部，发布国家标准1项，立项IEC标准1项。王锡凡院士领衔的鉴定委员会认为 “整体达到国际领先水平。项目建成了北京延庆智能电网工程、苏州同里交直流系统示范工程以及连云港海岛综合示范工程，实现了源网荷储协调运行。项目成果对支撑大规模电力电子设备接入后电网高效稳定运行具有重要的现实意义。

针对单相级联H桥整流器(cascaded H-bridge rectifier, CHBR)输入输出瞬时功率不平衡导致直流侧电压中含有二倍频纹波，造成网侧电流低次谐波污染的问题，提出了一种嵌入N次陷波滤波器的混合控制策略。首先根据CHBR数学模型和双闭环控制策略，分析CHBR网侧电流谐波产生的机理及推导其谐波分布规律。其次在dq旋转坐标系下的前馈解耦控制基础上，引入瞬态直接电流控制思想。然后分析了N次陷波滤波器对网侧电流谐波的抑制效果，给出N次陷波滤波器参数设计和离散方法。接着详细讨论了N次陷波器嵌入电流内环控制的设计方法，该方法有效抑制了网侧电流的3、5、7次等低次谐波，减少了PI控制器的负荷。最后，实验结果表明所提控制策略具有更小的电压超调和更短的动态响应时间，明显降低了网侧电流畸变率。

基于电感电流临界导通模式（critical conduction mode，CRM）的控制型软开关技术可实现开关管零电压开通（zero voltage switching，ZVS），但传统恒定电流复位方法的反向电流大，开关管通态损耗高。文中以单相三电平中点箝位型（three-level neutral point clamped，3L-NPC）逆变器为研究对象，提出一种具有最小电感复位电流的控制方法。首先，分析开关管ZVS的实现条件，建立谐振等效电路分析模型，推导出电感复位电流理论最小值，在保证整个工频周期内开关管ZVS的同时，降低复位电流导致的开关管通态损耗。然后，建立逆变器损耗分析模型，将文中方法与传统恒定电流复位方法进行损耗计算与对比。最后，搭建一台1 kW的单相3L-NPC逆变器样机进行实验，结果表明文中方法相比于传统恒定电流复位方法，降低了损耗，最高变换效率提升约0.5个百分点。

相较于传统车载充电系统，集成型车载充电系统(integrated onboard charger system，IOCS)在成本、功率密度等方面具备显著优势。文中基于六相永磁电驱系统设计了一台IOCS，并研究了模型预测电流控制(model predictive current control，MPCC)算法在该系统并网模式下的应用。首先，分析所提IOCS的电路拓扑并建立数学模型，同时介绍传统MPCC的实施流程。然后，针对传统MPCC计算量大、稳态性能差等不足，提出一种基于占空比优化的MPCC(MPCC based on duty cycle optimization，DCO-MPCC)策略。一方面，减少备选电压矢量数量，降低电流预测环节带来的计算负担；另一方面，提出一种占空比优化技术，改善系统稳态性能。最后，通过实验验证了所提算法的有效性与优越性。实验结果表明，DCO-MPCC策略能够显著提升系统稳态性能并减少算法计算量。充电与车网互动(vehicle to grid，V2G)工况下，网侧电流总谐波畸变(total harmonic distortion，THD)分别降低6.18%与5.92%，算法运行时间减少17.54 μs。