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具有等模块与无传感器电压平衡的非对称级联桥变换器
Asymmetrical Cascaded-Bridge Converter With Equal Modules and Sensorless Voltage Balancing for High-Quality Output
| 作者 | Amin Hashemi-Zadeh · Nima Tashakor · Mahdi Bayati · Stefan M. Goetz |
| 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 功率模块 多电平 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 不对称变换器设计 控制方案 模块电压调节 统一模块设计 能量交换 |
语言:
中文摘要
功率模块级联能够产生多电平电压输出,以提高电力传输能力和质量。然而,由于电压电平仅随模块数量呈线性增加,传统级联变换器若要实现高质量和高精度,就需要数量过多的模块。电压呈递减序列(例如二进制几何级数(1, ½, ¼, …))的模块模仿模数转换,通过对具有越来越精细步长的模块进行线性组合,可生成非常精细的输出波形。然而,使用电压递减的模块会迅速降低每个模块的能量含量,并且通常需要为每个模块电压等级专门设计模块。本文提出了一种新颖的不对称变换器设计,其模块电压序列截然不同,还提出了一种最优低成本控制方案以及精确的无传感器模块电压调节方法。该电路不会使任何模块的电压低于最高电压模块电压的一半。与先前提出的不对称级联电路相比,各模块的电压将更为接近。所提出的更窄额定电压范围允许采用统一的模块设计,模块可完全互换。此外,我们引入了一种伪并联模式,用于高效的模块间能量交换。相邻模块间电压差的减小会以指数方式减小限制平衡电流所需电感的总体尺寸。在MATLAB/Simulink中的仿真以及硬件原型验证了该方法的有效性。
English Abstract
The cascading of power modules can generate multilevel voltage output to enhance power transmission capacity and quality. However, conventional cascaded converters require an excessively large number of modules for high quality and precision due to the only linear increase of the voltage levels with the number of modules. Modules whose voltages follow a decreasing sequence, e.g., a binary geometric progression (1, ½, ¼,…) imitate analog-to-digital conversion and generate very fine output shapes through a linear combination of modules with finer and finer steps. However, the use of modules with decreasing voltages rapidly reduces the energy content per module and typically requires dedicated module designs for each module voltage level. This article proposes a novel asymmetric converter design with a very different sequence of module voltages, an optimal low-cost control scheme, and accurate sensorless module-voltage regulation. The circuit does not operate any module below half of the highest-voltage module. Compared to previously suggested asymmetric cascaded circuits, modules will have significantly closer voltages. The proposed tighter rated voltage range allows for a uniform module design with fully interchangeable modules. Moreover, we introduce a pseudo-parallel mode for efficient module-to-module energy exchange. The reduced voltage difference between neighboring modules exponentially reduces the total size and dimensions of the inductors required to limit the balancing current. Simulations in MATLAB/Simulink and a hardware prototype confirm the effectiveness of this approach.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的非对称级联桥式变换器技术具有重要的战略价值。该技术通过创新的模块电压序列设计,在保持模块标准化的前提下实现了高质量多电平输出,这与我们在光伏逆变器和储能变流器领域追求的高效率、高功率密度目标高度契合。
技术的核心优势在于突破了传统级联拓扑的局限性。相比二进制递减序列方案,该设计将所有模块电压维持在最高电压模块的50%以上,这意味着我们可以采用完全相同的功率模块进行互换,显著降低研发成本、库存压力和维护复杂度。对于阳光电源的全球化供应链和售后服务体系而言,模块标准化带来的经济效益不容忽视。特别是在大型集中式光伏电站和工商业储能项目中,备品备件的通用性将大幅提升系统可靠性和运维效率。
论文提出的无传感器电压平衡控制和伪并联模式更具实践意义。无传感器方案可减少电压采样环节,降低系统成本和故障点;而模块间能量交换所需电感尺寸的指数级缩减,直接转化为变流器功率密度的提升,这对我们1500V高压光伏系统和大容量储能PCS产品的小型化至关重要。
然而,技术成熟度仍需评估。论文虽提供了仿真和样机验证,但缺乏长期可靠性数据和极端工况测试。从工程化角度,需重点关注模块间电压不平衡的动态响应速度、电磁兼容性设计以及与现有MPPT算法和电网支撑功能的集成。建议组织预研团队进行深入评估,若技术指标满足要求,可考虑在下一代组串式逆变器或模块化储能系统中开展试点应用,抢占技术制高点。