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氢能与燃料电池 充电桩 ★ 4.0

一种支持宽电压范围运行的高功率MVAC-LVDC整流器

A High-Power MVAC-LVDC Rectifier Empowering Wide Voltage Range Operation

作者 Ning Wang · Binbin Li · Yulong Wang · Yingzong Jiao · Fujin Deng · Rui Li
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 氢能与燃料电池
技术标签 充电桩
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 中压交流转低压直流整流器 子模块臂 中频变压器 宽直流电压范围 成本效益与效率
语言:

中文摘要

在铁路系统、数据中心、电动汽车充电站和氢电解槽等各类应用中,对直流电力负载的需求不断增加,这就需要高效的整流器,能够将中压交流(MVac)转换为低压直流(LVdc),同时适应较宽的直流电压范围。本文提出了一种新型大功率中压交流 - 低压直流整流器,该整流器集成了子模块(SM)臂、晶闸管、单片式中频变压器(MMFT)和二极管桥。子模块臂能够精确控制晶闸管换相、中压交流电流和直流电流,同时在中压交流侧和低压直流侧都保持较高的波形质量。通过调节臂电压,该整流器可实现从零到额定值的宽直流电压范围。与传统固态变压器相比,采用单片式中频变压器和低损耗晶闸管减少了高绝缘变压器和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的数量,提高了成本效益和效率,损耗降低了 30%,成本降低了 24%。通过 6 兆瓦的仿真和 3 千瓦缩小比例原型的实验测试,验证了该整流器的性能。

English Abstract

The increasing demand for dc power loads across various applications such as railway systems, data centers, electric vehicle charging stations, and hydrogen electrolyzers necessitates efficient rectifiers capable of converting medium-voltage ac (MVac) to low-voltage dc (LVdc) while accommodating a wide dc voltage range. This article presents a novel high-power MVac-LVdc rectifier that integrates submodule (SM) arms, thyristors, a monolithic medium-frequency transformer (MMFT), and a diode bridge. The SM arms enable precise control over thyristors commutation, MVac current, and dc current, while maintaining high waveform quality on both MVac and LVdc sides. By adjusting the arm voltage, the rectifier can achieve a wide dc voltage range from zero to its rated value. Compared to the conventional solid-state transformer, the use of MMFT and low-loss thyristors reduces the number of high-insulation transformers and IGBTs, enhancing both cost-effectiveness and efficiency with a 30% reduction in loss and a 24% decrease in cost the performance of the rectifier is validated through simulation at 6 MW and experimental testing with a 3 kW scale-down prototype.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务布局来看,这项MVac-LVdc整流技术与公司在储能系统、电动汽车充电和氢能业务的战略方向高度契合。该技术通过创新性地整合子模块臂、晶闸管、单体中频变压器和二极管桥,实现了中压交流到低压直流的高效转换,特别是其宽电压范围调节能力(从零到额定值),这对我们的多场景应用具有重要价值。

在储能系统领域,该技术相比传统固态变压器降低30%损耗和24%成本的特性,可显著提升我们储能变流器产品的经济性和系统效率。宽电压范围操作特性使其能够更好地适应电池全生命周期的电压变化,这对提高储能系统灵活性至关重要。在电动汽车充电业务中,该技术支持的中压接入方案可减少配电环节损耗,为大功率充电站提供更优化的解决方案。

对于公司正在拓展的氢能业务,电解槽作为典型的宽电压范围直流负载,该技术的精确电流控制和高波形质量特性能够提升电解效率。通过减少高绝缘变压器和IGBT数量,降低了系统复杂度和故障点,这与我们追求高可靠性的产品理念一致。

技术成熟度方面,论文展示了6MW仿真和3kW样机验证,距离商业化应用尚需中等功率等级的工程验证。主要挑战在于晶闸管换流控制的精确性、中频变压器的设计优化以及多场景下的保护策略。建议公司关注该技术在数据中心和轨道交通等新兴市场的应用机会,评估将其集成到现有产品平台的可行性,这可能成为差异化竞争的技术突破点。