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储能系统技术 储能系统 DC-DC变换器 多电平 ★ 5.0

模块化多电平谐振直流-直流变换器的损耗建模与热不平衡抑制

Power Losses Modeling and Thermal Imbalance Suppression of Modular Multilevel Resonant DC–DC Converters

作者 Jing Sheng · Xin Xiang · Long Xu · Heya Yang · Tianling Shi · Wuhua Li
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年3月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 DC-DC变换器 多电平
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 模块化多电平谐振直流变换器 子模块 功率损耗 热不平衡 调制方案
语言:

中文摘要

模块化多电平谐振直流 - 直流变换器(MMRDC)在中压直流到低压直流应用领域引起了大量的研究关注。然而,与应用于高压直流输电的传统模块化多电平变换器相比,由于工作原理和调制技术不同,MMRDC中的电气和热应力分布仍有待充分阐明。本文对MMRDC中子模块(SM)器件的功率损耗进行了全面研究。建立了不同运行条件下子模块导通损耗和开关损耗的精确计算模型。计算结果揭示了子模块内部器件存在严重的热不平衡特征,这可能会缩短器件寿命,进而威胁变换器的可靠性。然后,为了缓解热不平衡问题,提出了一种通过重新分配子模块内部电流路径的调制方案。该调制方案无需额外的硬件成本,且不影响输出性能,能显著减轻上开关和下开关之间的损耗不平衡,并降低承受最高应力器件的功率损耗。最后,全尺寸仿真以及一个输入7 - 14 kV、输出300 V的中压MMRDC实验室样机验证了理论模型的准确性和热不平衡抑制调制的有效性。

English Abstract

Modular multilevel resonant dc-dc converter (MMRDCs) have garnered substantial research interest within the domain of medium-voltage dc to low-voltage dc applications. Nevertheless, compared with the traditional modular multilevel converter employed in high voltage dc transmission, due to the different operating principles and modulation techniques, the electrical and thermal stress distribution in MMRDC remains yet to be fully elucidated. In this article, the power losses of submodule (SM) devices in MMRDC are investigated comprehensively. A precise calculation model of the SM conduction and switching losses is established under different operation conditions. The calculations reveal the serious thermal imbalance features among the devices inside SM, which may curtail the device lifetime and thus threaten the converter reliability. Then, to alleviate the thermal imbalance, a modulation scheme by reassigning the current path inside the SM is proposed. Without extra hardware cost and influence on the output performance, the proposed modulation can mitigate the loss imbalance between the upper switch and lower switch significantly and reduce power losses of the most highly stressed device. Finally, the accuracy of the theoretical model and the efficacy of the thermal imbalance suppression modulation are corroborated by full-scaled simulation and an MV MMRDC laboratory prototype with 7–14 kV input and 300 V output.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文研究的模块化多电平谐振DC-DC变换器(MMRDC)技术具有重要的战略价值。该技术针对中压直流到低压直流的应用场景,这与我司在大型光伏电站、储能系统以及新能源制氢等领域的核心需求高度契合。

论文的核心贡献在于建立了精确的功率损耗计算模型,并揭示了子模块内部器件间严重的热不平衡问题。这一发现对我司产品可靠性提升具有直接指导意义。在大型储能系统和光伏并网场景中,功率器件的热应力分布不均会显著影响系统寿命,增加运维成本。论文提出的调制优化方案通过重新分配电流路径,在不增加硬件成本的前提下,有效缓解了上下开关管的损耗不平衡,这种软件优化思路完全符合我司降本增效的产品开发理念。

从应用前景看,MMRDC技术在7-14kV输入、300V输出的宽电压范围特性,特别适合我司正在拓展的高压直挂储能系统和柔性直流配电场景。该技术可减少变压器等笨重部件,提高系统功率密度,这对海外大型地面电站项目和工商业储能市场极具吸引力。

然而技术挑战同样存在:模块化多电平拓扑的控制复杂度较高,需要强大的数字控制平台支撑;7-14kV的中压等级对器件耐压和绝缘设计提出更高要求。建议我司技术团队深入评估该方案与现有SiC/GaN宽禁带器件的结合潜力,并在1500V及以上电压等级的储能变流器平台上开展预研验证,为下一代高压直流产品储备核心技术。