直流微电网DAB变换器和直流固态变压器的非线性控制策略

孟祥齐; 贾燕冰; 任春光; 韩肖清; 武涵; 赵佩

doi:10.7500/AEPS20220715005

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直流微电网DAB变换器和直流固态变压器的非线性控制策略

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 直流微电网DAB变换器和直流固态变压器的非线性控制策略
- Nonlinear Control Strategy of Dual Active Bridge Converter and DC Solid State Transformer in DC Microgrid
- 电力系统自动化 2023年47卷第4期页码：180-189
- 作者机构：
  
  电力系统运行与控制山西省重点实验室（太原理工大学），山西省太原市 030024
- 作者简介：
  
  孟祥齐(1995—)，男，博士研究生，主要研究方向：电力电子变换器控制、DC/DC变换器。E-mail：mengxiangqii@163.com
  贾燕冰(1980—)，女，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：电力系统稳定性控制、智能电网。E-mail：jybtyut@163.com
  任春光(1989—)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：新能源接口变换器、电力电子变换器结构。E-mail：renchunguang55@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金-山西煤基低碳联合基金项目(U1910216);国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51807130)
- DOI：10.7500/AEPS20220715005
  中图分类号：
- 收稿：2022-07-15，
  
  修回：2022-10-27，
  
  网络出版：2023-01-04，
  
  纸质出版：2023-02-25
- 稿件说明：
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孟祥齐,贾燕冰,任春光等.直流微电网DAB变换器和直流固态变压器的非线性控制策略[J].电力系统自动化,2023,47(4):180-189.

MENG Xiangqi,JIA Yanbing,REN Chunguang,et al.Nonlinear Control Strategy of Dual Active Bridge Converter and DC Solid State Transformer in DC Microgrid[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(4):180-189.
孟祥齐,贾燕冰,任春光等.直流微电网DAB变换器和直流固态变压器的非线性控制策略[J].电力系统自动化,2023,47(4):180-189. DOI： 10.7500/AEPS20220715005.

MENG Xiangqi,JIA Yanbing,REN Chunguang,et al.Nonlinear Control Strategy of Dual Active Bridge Converter and DC Solid State Transformer in DC Microgrid[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(4):180-189. DOI： 10.7500/AEPS20220715005.

摘要

直流微电网中，当双有源全桥(DAB)变换器及直流固态变压器(DCSST)带恒功率负载运行时，恒功率负载负阻抗特性会对系统的稳定性造成不良影响。文中提出了一种基于非线性扰动观测器及反步控制的新型复合带恒功率负载直流变换器控制策略，推导得出DAB变换器和DCSST数学模型的布鲁诺夫斯基标准型，采用基于非线性扰动观测器的大信号非线性扰动估计方法作为前馈补偿提高输出电压调节的准确性，结合反步控制方法保证DAB变换器和DCSST在大信号扰动下的稳定性。实验结果表明，所提出的控制方法既能在大信号扰动下保证DAB变换器和DCSST的稳定性，又能在不同工况下保证快速动态响应和准确的电压跟踪。

Abstract

In DC microgrid

when the dual active bridge (DAB) converter and the DC solid state transformer (DCSST) operate with the constant power load

the stability of the system is adversely affected due to the negative impedance characteristic of the constant power load. This paper proposes a new compound control strategy for the DC converter with constant power load based on the nonlinear disturbance observer and the backstepping control. The Brunovsky's standard types of mathematic models of DAB converter and DCSST are derived. The large-signal nonlinear disturbance estimation method based on the nonlinear disturbance observer is adopted as the feedforward compensation to improve the accuracy of output voltage regulation

and the stability of DAB converter and DCSST under large-signal disturbance is ensured by combining the backstepping control method. The experimental results show that the proposed control method can not only guarantee the stability of DAB converter and DCSST under the large-signal disturbance

but also ensure the fast dynamic response and accurate voltage tracking under different operation conditions.

关键词

Keywords

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李霞林，郭力，王成山，等 . 直流微电网关键技术研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 1 ）： 2 - 17 .

LI Xialin ， GUO Li ， WANG Chengshan ， et al . Key technologies of DC microgrids： an overview ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 1 ）： 2 - 17 .

朱晓荣，孟凡奇，谢志云 . 基于虚拟同步发电机的直流微网DC-DC变换器控制策略［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 21 ）： 132 - 140 .

ZHU Xiaorong ， MENG Fanqi ， XIE Zhiyun . Control strategy of DC-DC converter in DC microgrid based on virtual synchronous generator ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 21 ）： 132 - 140 .

BIANCHI M A ， ZURBRIGGEN I G ， PAZ F ， et al . Improving DC microgrid dynamic performance using a fast state-plane-based source-end controller ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 8 ）： 8062 - 8078 .

刘欣博，刘宁，宋晓通，等 . 基于交流恒功率负载特性的交直流混合微电网系统大信号稳定性判据［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 10 ）： 3441 - 3451 .

LIU Xinbo ， LIU Ning ， SONG Xiaotong ， et al . Large-signal stability criteria of AC/DC hybrid microgrid based on AC constant power loads ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 10 ）： 3441 - 3451 .

GADOURA I ， GRIGORE V ， HATONEN J ， et al . Stabilizing a telecom power supply feeding a constant power load ［C］// INTELEC-Twentieth International Telecommunications Energy Conference ， October 4-8 ， 1998 ， San Francisco， USA ： 243 - 248 .

FENG X G ， YE Z H ， XING K ， et al . Impedance specification and impedance improvement for DC distributed power system ［C］// 30th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference ， July 1 ， 1999， Charleston ， USA ： 889 - 894 .

LIUTANAKUL P ， AWAN A B ， PIERFEDERICI S ， et al . Linear stabilization of a DC bus supplying a constant power load： a general design approach ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2010 ， 25 （ 2 ）： 475 - 488 .

王武，雷文浩，蔡逢煌，等 . 结合电流应力优化的双有源全桥DC-DC变换器自抗扰控制［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 12 ）： 3073 - 3086 .

WANG Wu ， LEI Wenhao ， CAI Fenghuang ， et al . Active disturbance rejection control of dual-active-bridge DC-DC converter with current stress optimization ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 12 ）： 3073 - 3086 .

高宇，李若愚，李林柘，等 . 三重移相调制模式下双有源变换器的直接功率控制［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 18 ）： 4707 - 4719 .

GAO Yu ， LI Ruoyu ， LI Linzhe ， et al . Triple phase shift modulation-based direct power control strategy for a dual active bridge converter ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 18 ）： 4707 - 4719 .

游逍遥，刘和平，苗轶如，等 . 带恒功率负载的双极性直流系统稳定性分析及其有源阻尼方法［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 4 ）： 918 - 930 .

YOU Xiaoyao ， LIU Heping ， MIAO Yiru ， et al . Stability analysis and active damping method of the bipolar DC system with constant power loads ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 918 - 930 .

陶彩霞，王伟斌，祝曦，等 . 带恒功率负载Buck变换器的模型预测控制［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2021 ， 48 （ 8 ）： 96 - 102 .

TAO Caixia ， WANG Weibin ， ZHU Xi ， et al . A model predictive control for Buck converter with constant power load ［J］. Journal of Hunan University （Natural Sciences）， 2021 ， 48 （ 8 ）： 96 - 102 .

罗玮，陆益民 . 带恒功率负载多电平Boost变换器的复合非线性控制［J］. 太阳能学报， 2022 ， 43 （ 7 ）： 506 - 512 .

LUO Wei ， LU Yimin . Compound nonlinear control of multi-level Boost converter with constant power load ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2022 ， 43 （ 7 ）： 506 - 512 .

WENG X ， ZHAO Z M ， CHEN K N ， et al . A nonlinear control method for bumpless mode transition in noninverting buck-boost converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 2166 - 2178 .

MARTÍNEZ-TREVIÑO B A ， AROUDI A E ， VALDERRAMA-BLAVI H ， et al . PWM nonlinear control with load power estimation for output voltage regulation of a boost converter with constant power load ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 2143 - 2153 .

宋金秋，段彬，付程，等 . 电网不平衡工况下高频链矩阵变换器非线性反步控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 2 ）： 761 - 772 .

SONG Jinqiu ， DUAN Bin ， FU Cheng ， et al . Nonlinear backstepping control strategy for high-frequency link matrix converter under unbalanced grid conditions ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 2 ）： 761 - 772 .

SONG J Q ， FU C ， ZHANG G G ， et al . Backstepping control of high-frequency link matrix rectifier for battery chargers ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 9 ）： 10801 - 10814 .

刘鑫蕊，高超，王智良 . 基于非线性扰动观测器的光伏并网逆变器直流侧母线电压控制［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 3 ）： 897 - 906 .

LIU Xinrui ， GAO Chao ， WANG Zhiliang . DC-bus voltage control for PV grid-connected inverter based on nonlinear disturbance observer ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 3 ）： 897 - 906 .

XU Q W ， ZHANG C L ， WEN C Y ， et al . A novel composite nonlinear controller for stabilization of constant power load in DC microgrid ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 752 - 761 .

CHEN G ， CHEN Z Y ， CHEN Y ， et al . Asymmetric phase-shift modulation strategy of DAB converters for improved light-load efficiency ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 8 ）： 9104 - 9113 .

MENG X Q ， JIA Y B ， REN C G ， et al . Modular circulating current and second harmonic current suppression strategy by virtual impedance for DC solid-state transformer ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 10 ）： 11921 - 11933 .

安峰，崔彬，白睿航，等 . 高压大容量直流变压器模块化离散解耦等效建模方法［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 7 ）： 79 - 86 .

AN Feng ， CUI Bin ， BAI Ruihang ， et al . Modular discrete decoupling equivalent modeling method for high-voltage large-capacity DC transformer ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 7 ）： 79 - 86 .

BAI H ， MI C T ， WANG C W ， et al . The dynamic model and hybrid phase-shift control of a dual-active-bridge converter ［C］// 2008 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics ， November 10-13 ， 2008 ， Orlando， USA ： 2840 - 2845 .

安峰，宋文胜，杨柯欣 . 电力电子变压器的双有源全桥DC-DC变换器模型预测控制及其功率均衡方法［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 13 ）： 3921 - 3929 .

AN Feng ， SONG Wensheng ， YANG Kexin . Model predictive control and power balance scheme of dual-active-bridge DC-DC converters in power electronic transformer ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 13 ）： 3921 - 3929 .

侯聂 . 全桥隔离DC-DC变换器优化控制方法研究［D］. 成都：西南交通大学， 2017 .

HOU Nie . Research on the optimal control of dual-active-bridge DC-DC converter ［D］. Chengdu ： Southwest Jiaotong University ， 2017 .

ZUMEL P ， ORTEGA L ， LAZARO A ， et al . Control strategy for modular Dual Active Bridge input series output parallel ［C］// 2013 IEEE 14th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics （COMPEL）， June 23-26 ， 2013 ， Salt Lake City， USA ： 1 - 7 .

RUAN X B ， CHEN W ， CHENG L L ， et al . Control strategy for input-series-output-parallel converters ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2009 ， 56 （ 4 ）： 1174 - 1185 .

RODRÍGUEZ ALONSO A R ， SEBASTIAN J ， LAMAR D G ， et al . An overall study of a dual active bridge for bidirectional DC/DC conversion ［C］// 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition ， September 12-16 ， 2010 ， Atlanta， USA ： 1129 - 1135 .

杨甲甲，张辉，支娜 . Bi-DC/DC变换器带恒功率负载稳定性分析［J］. 电源学报， 2017 ， 15 （ 6 ）： 141 - 146 .

YANG Jiajia ， ZHANG Hui ， ZHI Na . Stability analysis of Bi-DC/DC converter with constant power loads ［J］. Journal of Power Supply ， 2017 ， 15 （ 6 ）： 141 - 146 .

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