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系统并网技术 ★ 5.0

高阶广义平均法在电力电子建模中的应用:从直流到开关频率一半以上

High-Order Generalized Averaging Method for Power Electronics Modeling From DC to Above Half the Switching Frequency

作者 View Document
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 系统并网技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电力电子变换器 高阶广义平均法 开关信号 建模方法 模型精度
语言:

中文摘要

由于时变且不连续的开关动作,对接近或高于开关频率一半的频率下的电力电子变换器进行建模一直颇具难度。我们利用移动傅里叶系数的特性开发了一种高阶广义平均法,以突破开关频率一半的限制。我们还针对各种开关信号,包括脉冲宽度调制(PWM)、相移调制、脉冲频率调制(PFM)以及状态相关开关信号,提出了高阶广义平均模型,从而使电路和调制器/控制器能够分别建模并灵活组合。此外,利用移动傅里叶系数的拉普拉斯变换,在线性时不变框架下,不同频率信号及其边带的耦合被清晰地描述为相同频率移动傅里叶系数的耦合。该建模方法被应用于一个PWM控制的升压变换器、一个V²恒定导通时间控制的降压变换器以及一个PFM控制的LLC变换器,以进行演示和验证。不同工作模式下变换器的实验结果表明,所提出的模型比现有模型具有更高的精度,尤其是在接近或高于开关频率一半的频率范围内。所开发的方法几乎可应用于所有类型的电力电子变换器。

English Abstract

Modeling power electronic converters at frequencies close to or above half the switching frequency has been difficult due to the time-variant and discontinuous switching actions. We develop a high-order generalized averaging method using the properties of moving Fourier coefficients to break though the limit of half the switching frequency. We also propose the high-order generalized average model for various switching signals, including pulsewidth modulation (PWM), phase-shift modulation, pulse-frequency modulation (PFM), and state-dependent switching signals, so that circuits and modulators/controllers can be modeled separately and combined flexibly. Moreover, using the Laplace transform of moving Fourier coefficients, the coupling of signals and their sidebands of different frequencies is clearly described as the coupling of moving Fourier coefficients of the same frequency in a linear time-invariant framework. The modeling method is applied to a PWM controlled boost converter, a V2 constant on-time controlled buck converter, and a PFM controlled LLC converter, for demonstration and validation. Experimental results of the converters in different operating modes show that the proposed models have higher accuracy than exiting models, especially in the frequency range close to or above half the switching frequency. The developed method can be applied to almost all types of power electronic converters.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项高阶广义平均建模方法对我们在光伏逆变器、储能变流器及新能源系统的控制优化具有重要战略价值。

该技术突破了传统建模方法在半开关频率以上的局限性,这对我们的高频开关电源系统设计至关重要。当前阳光电源的组串式逆变器和储能PCS产品普遍采用20-100kHz的开关频率,传统建模方法在接近或超过半开关频率时精度显著下降,导致高频谐波分析、EMI预测和控制器设计存在盲区。该方法通过移动傅里叶系数特性,能够准确描述频率耦合现象,为我们优化PWM策略、提升系统效率和电能质量提供了更精确的理论工具。

技术应用价值体现在三个层面:首先,在储能双向变流器的快速功率响应场景中,该建模方法可帮助我们更准确预测瞬态特性,优化控制参数以满足电网一次调频等苛刻要求;其次,对于LLC谐振变流器等软开关拓扑,该方法支持PFM等复杂调制策略的精确建模,有助于我们开发更高效的DC-DC变换模块;第三,在多电平逆变器和模块化多电平换流器(MMC)等复杂系统中,该方法的通用性使其能够处理多样化的调制和控制策略。

当前挑战在于该方法的工程化实施复杂度较高,需要建立完善的仿真验证平台。建议我们的中央研究院与电力电子团队合作,优先在新一代储能变流器和1500V高压光伏系统中试点应用,逐步积累工程经验,最终形成具有阳光电源特色的高精度建模工具链,巩固我们在新能源变流技术领域的领先地位。