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系统并网技术 ★ 5.0

单级差模固态变压器中的无功补偿

Reactive-Power Compensation in a Single-Stage Differential-Mode Solid-State Transformer

作者 Shantanu Gupta · Sudip K. Mazumder
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年2月
技术分类 系统并网技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 单级固态变压器 无功功率补偿 零电压开关 脉冲宽度调制有源箝位 设计准则
语言:

中文摘要

采用零电压开关(ZVS)以实现高效运行的隔离式单级固态变压器(SST)通常支持无功负载的能力有限。本文针对单级差模固态变压器(DM - SST)提出了一种新技术,该技术可在非单位功率因数负载下实现无功功率补偿。DM - SST模块采用脉宽调制有源钳位(PAC)Ćuk变换器来应用该技术。PAC - Ćuk变换器在两个主开关两端使用了钳位电路,每个钳位电路由一个辅助电容和一个与主开关互补工作的开关组成。钳位电路的添加使所有开关都能实现零电压开关操作。本文通过前馈控制改变开关的占空比,以支持无功功率。此外,研究了DM - SST在扩展控制参数范围、主开关占空比以及主开关之间相移比情况下的输出功率关系。利用扩展后的输出功率关系,还给出了支持无功负载的DM - SST的设计指南。根据上述设计指南搭建了一台1 kVA的DM - SST硬件样机,以验证DM - SST的分析和运行情况。

English Abstract

Isolated single-stage solid-state transformer (SST), which employs zero-voltage switching (ZVS) for high-efficiency operation, generally has limited capability for supporting reactive load. In this article, a novel technique is proposed for a single-stage differential-mode SST (DM-SST), which supports reactive-power compensation in such non-unity-power-factor loads. A pulsewidth modulation active-clamp (PAC) Ćuk converter is used for the DM-SST modules to employ the technique. The PAC-Ćuk converter utilizes clamp circuits across the two main switches, each consisting of an auxiliary capacitor and a switch operating complementarily to the main switch. Addition of the clamp circuits provide ZVS operation on all the switches. In this article, the duty cycles of the switches are varied using a feedforward control to also support the reactive power. Furthermore, the output power relation of the DM-SST for the extended range of control parameters, duty cycles of the main switches, and the phase-shift ratio between the main switches is studied. A design guideline of the DM-SST supporting the reactive load is also presented using the extended output power relation. A 1-kVA hardware prototype of the DM-SST is built using the underscored design guideline to validate the analysis and the operation of the DM-SST.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项单级差模固态变压器(DM-SST)无功补偿技术具有重要的战略价值。该技术通过脉宽调制有源钳位Ćuk变换器实现了零电压开关(ZVS)和无功功率补偿的双重功能,这与我司在光伏逆变器和储能系统领域追求高效率、高功率密度的技术方向高度契合。

在光伏并网系统中,电网对逆变器的无功支撑能力要求日益严格。传统单级SST在保持ZVS高效运行时,无功补偿能力受限,这一直是行业痛点。该论文提出的前馈控制策略通过动态调节主开关占空比和相移比,在维持全开关ZVS的同时实现无功补偿,可显著提升我司逆变器在弱电网环境下的并网性能和电能质量管理能力。

对于储能系统应用,该技术的价值更为突出。储能变流器需要频繁应对非统一功率因数负载,特别是在工商业储能和微电网场景中。DM-SST的隔离特性结合无功补偿能力,可增强系统的电气安全性和电能质量调节灵活性,这对我司储能产品的差异化竞争至关重要。

技术成熟度方面,论文已完成1kVA原型验证,但距离工业化应用仍有距离。主要挑战包括:大功率等级下的热管理优化、控制算法的实时性和鲁棒性验证、以及成本控制。建议我司技术团队重点关注该技术在中压直挂储能系统和大型光伏电站的适配性研究,通过模块化并联扩展功率等级,同时开展前馈控制与我司现有MPPT算法的融合研究,以加速技术转化进程。