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储能系统技术 储能系统 单相逆变器 多物理场耦合 ★ 5.0

基于直流分压电容的纹波功率解耦电路统一建模与控制方法

Unified Modeling and Control Methods for Ripple Power Decoupling Circuit Based on DC-Split Capacitor

作者 Ziyin Wang · Zhenchao Li · Yan Zhang · Jia Shu · Jinjun Liu · Xianting Li
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年10月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 单相逆变器 多物理场耦合
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 单相逆变器 二次谐波纹波功率 直流分裂电容 功率解耦方法 统一模型
语言:

中文摘要

单相逆变器系统本质上会出现二次谐波纹波功率,必须对其进行抑制,以最大程度减少其对系统的不利影响。一种有效的纹波功率解耦技术是向直流分裂电容注入互补纹波电压。通过利用分裂电容之间的能量差,纹波功率得到有效补偿,同时互补的电容电压可维持稳定的直流母线电压。本文提出了一个统一模型,阐明了基于直流分裂电容的功率解耦方法的内部物理机制。基于该模型推导出了四种不同的方法,揭示了双向功率流的必要性,并解释了为何之前的某些方法仅能实现部分纹波功率解耦。此外,综合考虑电容需求、半导体应力和系统体积等因素对这些方法进行了全面比较,以确定最优设计。最后,利用一台400瓦的输入并联输出串联(IPOS)CLLLC型电压源逆变器样机对该统一模型进行了验证。实验结果表明,所有方法均能在减少电容的情况下显著抑制纹波功率,其中采用不平衡直流工作点设计的差分电容法整体性能最佳。

English Abstract

Single-phase inverter systems inherently exhibit second-harmonic ripple power, which must be suppressed to minimize its adverse effects on the system. One effective technique for ripple power decoupling involves injecting complementary ripple voltages into dc split capacitors. By exploiting the energy differential between the split capacitors, ripple power is effectively compensated, whereas the complementary capacitor voltages maintain a stable dc bus voltage. This article presents a unified model that elucidates the internal physical mechanisms underlying power decoupling methods based on dc split capacitors. From this model, four distinct methods are derived, revealing the necessity of bidirectional power flow and explaining why certain previous methods have only achieved partial ripple power decoupling. Furthermore, the methods are compared comprehensively, taking into account capacitance requirements, semiconductor stress, and system volume to determine the optimal design. Finally, the unified model is validated using a 400-W IPOS CLLLC-fed voltage source inverter prototype. Experimental results demonstrate that all methods significantly suppress ripple power with reduced capacitance, with the differential capacitance approach, featuring an unbalanced dc operating point design, delivering the best overall performance.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于直流分裂电容的纹波功率解耦技术对我们的单相光伏逆变器和储能系统产品线具有重要应用价值。单相系统固有的二次谐波纹波功率一直是影响系统可靠性和效率的关键问题,特别是在户用光伏和小型储能领域,这个问题尤为突出。

该研究提出的统一建模方法揭示了四种不同解耦方案的物理机制,其核心价值在于通过分裂电容的能量差实现纹波功率补偿,同时保持直流母线电压稳定。这对阳光电源而言意味着可以显著降低电解电容的容量需求,直接提升产品的功率密度和使用寿命。在我们的户用逆变器产品中,电解电容往往是限制寿命的薄弱环节,该技术若能工程化应用,将有效解决这一痛点。

论文中提到的差分电容方法配合非平衡直流工作点设计,在电容需求、半导体应力和系统体积方面实现了最优平衡,这与阳光电源追求高功率密度、高可靠性的产品战略高度契合。400W原型验证表明技术已具备一定成熟度,但从实验室到量产仍需考虑成本、控制算法复杂度和电磁兼容性等工程化挑战。

建议我们的研发团队重点关注该技术在5-10kW户用逆变器和储能变流器中的应用可行性,评估与现有CLLLC等拓扑的集成方案。若能率先将此技术产业化,将在竞争激烈的户用市场建立显著的技术差异化优势,同时为薄膜电容替代电解电容的技术路线提供新的解决方案。