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基于脉冲幅度调制与令牌轮换的多电平逆变器电压平衡方法
Pulse Magnitude Modulation and Token Rotation-Based Voltage Balancing Method of Multilevel Inverter for Wireless Power Transfer
| 作者 | Jian Guo · K.T. Chau · Wei Liu · Yunhe Hou · W.L. Chan |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 多电平 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 多电平逆变器 无线电能传输 脉冲幅度调制 电容电压平衡 实验验证 |
语言:
中文摘要
多电平逆变器在大功率无线电能传输(WPT)系统中受到了越来越多的关注,但其开关损耗和电容电压平衡问题令人担忧。为解决这些问题,本文提出并实现了一种用于WPT系统的飞跨电容多电平逆变器(FCMLI)的Σ-Δ脉冲幅度调制(PMM)方法。该方法可同时实现宽范围输出电压调节和零电压开关。此外,本文还提出了一种基于令牌旋转的用于WPT的FCMLI飞跨电容电压平衡方法。该方法可平衡任意电压等级的FCMLI电容电压,同时保持较小的纹波并抵抗阶跃动态变化。文中还讨论了飞跨电容的相应参数选择。通过理论分析、计算机仿真以及基于850 W七电平飞跨电容逆变器的硬件实验,验证了所提出的基于Σ-Δ PMM FCMLI的WPT系统的有效性。
English Abstract
The multilevel inverter has attracted more and more attention in high-power wireless power transfer (WPT) systems, but its switching loss and capacitor voltage balancing are worrying issues. To solve these problems, this article proposes and implements a sigma-delta (Σ-Δ) pulse magnitude modulation (PMM) of a flying-capacitor multilevel inverter (FCMLI) for WPT systems. It can achieve wide-range output voltage regulation and zero voltage switching simultaneously. Besides, a token rotation-based flying-capacitor voltage balancing method of the FCMLI for WPT is proposed. It can balance the capacitor voltages of the FCMLI with arbitrary voltage levels while maintaining little ripples and resisting the step dynamic. The corresponding parameter selection of the flying capacitors is discussed. Theoretical analysis, computer simulation, and an 850 W seven-level flying capacitor inverter-based hardware experimentation are given to verify the effectiveness of the proposed Σ-Δ PMM FCMLI-based WPT system.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务布局来看,这篇论文提出的飞跨电容多电平逆变器技术及其Σ-Δ脉冲幅度调制方案具有显著的战略价值。该技术虽然针对无线电能传输系统,但其核心创新——开关损耗优化和电容电压平衡控制——与我司光伏逆变器和储能变流器的技术痛点高度契合。
首先,论文提出的零电压开关技术能够有效降低开关损耗,这对提升大功率逆变器效率至关重要。阳光电源的集中式光伏逆变器和储能PCS系统功率等级已达兆瓦级,开关损耗的优化直接关系到系统效率和散热设计。该技术实现的宽范围输出电压调节能力,也与我司储能系统需要适应不同电压等级电网的需求相吻合。
其次,基于令牌轮换的飞跨电容电压平衡方法展现出良好的动态响应特性和低纹波特性。这对于应对光伏发电的间歇性和储能系统的快速充放电工况具有实用价值。论文验证的850W七电平样机虽然功率等级较小,但其控制策略具备向更高功率和更多电平扩展的潜力。
技术挑战方面,从实验室原型到工业化产品仍需跨越可靠性验证、成本控制和EMC优化等关卡。飞跨电容的体积和寿命问题在高温户外环境下需要重点评估。然而,该技术为我司在高压直挂储能系统、电动汽车快充设备等新兴业务领域提供了差异化技术路线,特别是在1500V及以上高压系统中,多电平拓扑的优势将更加明显,值得进行深度技术预研和专利布局。