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电动汽车驱动 多电平 ★ 5.0

考虑纹波功率传输的基于模块化多电平变换器的电力电子变压器设计与优化

Design and Optimization of the MMC-Based Power Electronic Transformer Considering Ripple Power Transfer

作者 Zhixiang Li · Yunqing Pei · Jiahao Liu · Laili Wang · Zesong Leng
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年12月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 多电平
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 模块化多电平变换器 电力电子变压器 纹波功率传输 多目标优化 参数设计
语言:

中文摘要

基于模块化多电平换流器(MMC)的电力电子变压器(PET)具有通过固有双有源桥(DAB)实现纹波功率传输(RPT)的优势,从而可降低所需子模块电容并提高功率密度。然而,RPT的实现会导致DAB的损耗和体积增加,给运行模式选择和参数设计带来挑战。本文首次通过多目标优化(MOO)对基于MMC的PET在RPT模式下运行时的设计与优化进行了全面研究。首先,建立合适的模型来估算基于MMC的PET的元件损耗和体积。利用这些模型,开发了一个同时考虑效率和功率密度的MOO程序,以探索PET的设计原则。值得注意的是,本文还提出了一种基于部分RPT的设计技术,并验证了其在PET设计中的优势。本文的研究旨在为基于MMC的PET的最优运行模式选择和参数设计提供指导。一个全尺寸30 kW/1 kV PET子模块的设计实例以及一个缩小比例但完整的PET样机验证了所提出的分析和设计方法的有效性。

English Abstract

The modular multilevel converter (MMC)-based power electronic transformer (PET) offers the advantage of enabling ripple power transfer (RPT) through inherent dual active bridges (DABs), thereby reducing the required submodule capacitance and enhancing power density. However, the implementation of RPT leads to increased loss and volume of DABs, posing challenges to the operation mode selection and parameter design. In this article, the design and optimization of the MMC-based PET when it operates in the RPT mode are comprehensively investigated for the first time through multiobjective optimization (MOO). First, suitable models are established to estimate component losses and volumes of the MMC-based PET. Utilizing these models, an MOO program considering both efficiency and power density is developed to explore the design principles of the PET. Notably, this article also proposes a design technique based on partial RPT and verifies its benefits in the PET design. The research done in this article seeks to provide guidance for the optimal operation mode selection and parameter design of the MMC-based PET. A design example of a full-scale 30 kW/1 kV PET submodule, together with a scaled-down but complete PET prototype, validates the effectiveness of the proposed analysis and design methods.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇关于MMC型电力电子变压器(PET)的研究具有重要的战略价值。该技术通过纹波功率传输(RPT)机制显著降低子模块电容需求并提升功率密度,这与我们在光储一体化系统和中高压储能解决方案中面临的核心挑战高度契合。

在储能系统应用层面,MMC-PET技术可直接赋能我们的PowerTitan系列产品。传统储能变流器在处理交直流转换时,往往需要大容量电容来平衡功率波动,这不仅增加了系统体积和成本,还影响了可靠性。该论文提出的部分RPT设计方法通过多目标优化在效率与功率密度间找到最优平衡点,为我们开发更紧凑、更高效的储能PCS提供了理论依据。特别是在MW级以上大型储能电站中,功率密度的提升可显著降低占地面积和建设成本。

对于光伏逆变器业务,该技术在1500V及以上高压系统中展现出应用潜力。模块化多电平结构天然适配高压场景,且通过优化的DAB设计可减少磁性元件体积,这对我们推进SG350HX等超大功率逆变器的小型化具有借鉴意义。

技术挑战方面,RPT模式下DAB损耗与体积的权衡需要精细化控制策略,这要求我们在数字控制平台和热管理系统上进行配套开发。论文提供的30kW子模块验证为工程化实施提供了参考,但从原型到量产还需解决成本控制和长期可靠性验证问题。建议我们的中央研究院跟进该技术方向,结合实际产品需求开展定制化优化研究,抢占中高压能源转换装备的技术高地。