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基于非对称占空比限制控制的多端口双向直流-直流变换器在分布式储能系统中的应用
Asymmetrical Duty-Cycle Limit Control-Based Multiport Bidirectional DC–DC Converter for Distributed Energy Storage System Applications
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 DC-DC变换器 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 多端口双向直流变换器 储能系统 不对称占空比限制控制 可再生能源 效率 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种新型多端口双向直流 - 直流转换器(MP - BDC),其特点是在每个低压端口采用两相交错架构,以减轻低压侧电容器和电感器上的电流纹波。多端口配置旨在实现不同电压等级的储能系统(ESS)的同时利用,同时实现较宽的电压转换比。为了确保在整个占空比范围内电感平均电流平衡,实施了一种经济高效的非对称占空比限制控制策略,该策略对直流电感的变化表现出了强大的鲁棒性。此外,所提出的转换器非常适合集成各种可再生能源和混合储能系统。另外,低压端口与高压端口配置为共地,有助于降低系统内的电磁干扰。本文对所提出的 MP - BDC 的工作原理、器件应力、电流纹波特性和设计流程进行了全面分析。通过一个采用碳化硅金属 - 氧化物 - 场效应晶体管(SiC - MOSFET)的 2.5 千瓦、50 千赫兹的样机进行了关键性能验证,该样机具有两个低压直流端口(72 伏和 48 伏)和一个高压直流端口(400 - 800 伏)。测得高压端口为 400 伏时的最大效率为 98.04%,高压端口为 800 伏时的最大效率为 98.46%。这些结果证明了所提出的 MP - BDC 的有效性,并凸显了其在电动汽车快速充电和可再生能源集成等高功率应用中的潜力。
English Abstract
This article presents a novel multiport bidirectional dc–dc converter (MP-BDC) by featuring a two-phase interleaved architecture at each low-voltage port to mitigate current ripple across the low-voltage side capacitors and inductors. The multiport configuration is designed to enable the simultaneous utilization of energy storage systems (ESSs) with different voltage levels, while also achieving a wide voltage conversion ratio. In order to ensure the balanced average inductor current across the entire duty cycle range, a cost-effective asymmetric duty-cycle limit control strategy is implemented, which demonstrates the robust performance against variations in the dc inductors. Moreover, the proposed converter is well-suited for integrating various renewable energy resources and hybrid ESSs. In addition, the low-voltage ports are configured to share a common ground with the high-voltage port, which helps reduce electromagnetic interference within the system. The operating principles, device stresses, current ripple characteristics, and design procedures in the proposed MP-BDC are comprehensively analyzed. The essential performances are demonstrated by a 2.5 kW–50 kHz prototype with dual low-voltage dc ports (72 and 48 V) and a single high-voltage dc port (400–800 V) utilizing silicon carbide metal-oxide-field-effect-transistors (SiC-mosfets). The maximum efficiencies are measured as 98.04% with a high-voltage port of 400 V and 98.46% with a high-voltage port of 800 V, respectively. These results demonstrate the effectiveness of the proposed MP-BDC and highlight its potential for high-power applications, such as EV fast charging and renewable energy integration.
S
SunView 深度解读
从阳光电源储能系统业务视角来看,这项多端口双向DC-DC变换器技术具有显著的战略价值。该技术通过双相交错并联架构有效降低了低压侧电流纹波,这与我司PowerStack储能系统对高功率密度和长寿命的需求高度契合。特别是其支持不同电压等级储能单元同时接入的能力,可直接应用于我司正在推进的混合储能解决方案,实现锂电池与超级电容等多种储能介质的协同优化。
技术层面,该变换器实现了400-800V宽范围高压侧电压转换,配合72V/48V双低压端口设计,这为我司光储充一体化系统提供了理想的拓扑方案。98.46%的峰值效率(800V工况)接近行业顶尖水平,采用SiC MOSFET器件也与我司在第三代半导体技术上的布局方向一致。非对称占空比限制控制策略对电感参数偏差的鲁棒性,有助于降低生产成本并提升系统可靠性,这对于我司大规模储能项目的成本控制具有实际意义。
应用前景方面,该技术在电动汽车快充和可再生能源并网两大场景的适配性,与我司"光储充检"一体化战略完全吻合。共地设计降低EMI的特性,也有利于满足严格的电网接入标准。然而,技术挑战在于2.5kW原型向兆瓦级系统扩展时的热管理和控制复杂度,以及多端口功率动态分配算法在实际工况下的验证。建议我司技术团队重点关注其在分布式储能系统中的并联扩展方案,以及与现有PowerTitan液冷储能系统的集成可行性,这可能成为下一代储能变流器PCS的重要技术储备。