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控制与算法 多物理场耦合 ★ 5.0

带中继端口的模块化多有源桥变换器功率解耦与优化控制研究

Research on Power Decoupling and Optimal Control of Modular Multiactive Bridge Converter With Relay Port

作者 Changyu Gao · Kai Li · Zhibo Zhang · Fan Yuan · Sheng Zhang · Xiaojie You
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 控制与算法
技术标签 多物理场耦合
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 模块化多有源桥变换器 功率解耦 拓扑结构 零电压开关 控制策略
语言:

中文摘要

模块化多有源桥(MMAB)变换器是一种模块化、可扩展且极具前景的多端口变换器,它便于实现各种电源和负载之间的灵活互联。在传统的MMAB结构中,所有端口都通过多个高频变压器与一个公共高频链路耦合,这本质上会在端口之间引入交叉耦合功率流。本文提出了一种改进的MMAB变换器结构,该结构引入了一个额外的中继端口,以实现硬件层面的功率解耦。所提出的拓扑结构无需复杂的控制策略,且允许每个端口作为独立的双有源桥变换器独立运行,互不干扰。利用频域分析详细分析了功率流解耦原理。此外,提出了一种基于占空比控制的优化设计与控制方法,以扩大变换器的零电压开关工作范围。所提出的结构还能有效抑制MMAB变换器内部的高频振荡。最后,通过不同测试场景下的仿真和实验结果验证了功率解耦性能和所提出的控制策略。

English Abstract

Modular multiactive bridge (MMAB) converter is a modular, scalable, and promising multiport converter that facilitates flexible interconnection among various power sources and loads. In the conventional MMAB configuration, all ports are coupled to a common high-frequency link through multiple high-frequency transformers, which inherently induces cross-coupling power flow between ports. This article proposed a modified MMAB converter structure incorporating an additional relay port to achieve hardware-level power decoupling. The proposed topology does not require a complex control strategy and allows each port to operate independently as an individual dual-active bridge converter without interaction. The principle of power flow decoupling is analyzed in detail using frequency-domain analysis. Furthermore, an optimal design and control method based on duty ratio control is proposed to expand the zero-voltage switching operating range of the converter. The proposed structure also effectively suppresses the high-frequency oscillation within the MMAB converter. Finally, simulation and experimental results were obtained from different test scenarios to verify the power decoupling performance and the proposed control strategy.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项模块化多有源桥(MMAB)变换器技术具有显著的战略价值。该技术通过引入中继端口实现硬件级功率解耦,有效解决了传统多端口变换器中端口间交叉耦合的核心难题,这与阳光电源在光储充一体化、多能互补系统等场景的技术需求高度契合。

在储能系统应用层面,该技术的模块化、可扩展特性能够支撑阳光电源构建更灵活的储能变流器架构。通过功率解耦,各端口可独立运行为双有源桥变换器,这意味着在光伏发电、电池储能、电网并网等多端口协同场景中,系统控制复杂度大幅降低,无需复杂的多变量耦合控制策略,显著提升了系统可靠性和响应速度。这对阳光电源正在推进的工商业储能和大型储能电站项目具有直接应用价值。

技术层面,基于占空比控制的优化方法扩展了零电压开关(ZVS)工作范围,这将有效降低开关损耗,提升变换器效率——这是阳光电源逆变器和储能产品保持市场竞争力的关键指标。此外,抑制高频振荡的能力有助于改善电能质量,降低EMI设计难度。

然而,技术挑战也不容忽视。中继端口的引入增加了硬件成本和系统复杂度,需要在性能提升与成本控制间寻求平衡。从成熟度评估看,该技术仍处于实验验证阶段,距离产品化应用还需开展可靠性测试、热管理优化等工程化工作。建议阳光电源关注该技术在高功率密度、多场景适配方面的演进,适时布局相关专利,为下一代多端口能源管理系统储备核心技术能力。