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基于集成磁路的隔离型三相逆变器及其磁通变化率控制谐波滤波
Integrated Magnetic Based Isolated Three Phase Inverter With Flux-Rate Controlled Harmonic Filtering
| 作者 | Ruman Kalyan Mahapatra · L. Umanand · K. Gopakumar |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年6月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | 三相逆变器 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 三相逆变器 磁路 谐波滤波 键图建模 实验验证 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种基于集成磁路的隔离式三相逆变器方案。在此方案中,采用磁通量变化率控制技术对谐波分量进行滤波。该系统通过一个主逆变器、一个控制逆变器、一个公共直流母线和一个磁路来运行。主逆变器在整个运行范围内以基波频率进行方波模式运行,从而降低了开关损耗,并减小了电压和电流应力。控制逆变器进行脉冲宽度调制(PWM)操作,并在磁接口中建立必要的磁通量变化率,其运行功率仅占总额定功率的一部分。集成磁路由八柱 E - I - E 型叠片组成。它将主逆变器、控制逆变器和负载相连接,实现了电气隔离,且负载侧无需电力电子元件,从而提供了灵活的扩展能力。采用键合图建模技术建立了系统的动态模型,以进行仿真研究。搭建的实验室样机验证了所提方案的可行性。实验研究包括逆变器在不同调制方式、动态运行情况下的工作情况,以及感应电机的开环 v/f 运行情况。本研究还将所提出的逆变器与传统的两电平及三电平中点钳位(NPC)逆变器在功率损耗和尺寸方面进行了比较。
English Abstract
This article proposes an integrated magnetic-based isolated three-phase inverter scheme. Here, the harmonic components are filtered using the flux-rate control technique. The system operates using a main and control inverter with a common dc link and a magnetic circuit. The main inverter performs a square wave mode of operation at the fundamental frequency throughout the operating range, causing lower switching losses and reduced voltage and current stresses. The control inverter performs pulse width modulation (PWM) operation and sets up the necessary flux rate in the magnetic interface, operating at a fraction of the total power rating. The integrated magnetic circuit comprises eight-limbed E-I-E lamination types. It interfaces the main inverter, control inverter, and loads, causing galvanic isolation and load side free from power electronic components to provide scaling flexibility. The bond graph modeling technique formulates the dynamic model of the system to conduct the simulation studies. A lab-built prototype validates the working of the proposed scheme. The experimental studies comprise the working of the inverter for different modulation, dynamic operations, and an induction machine's open loop v/f operation. The study includes the proposed inverter's power loss and size comparison with the conventional two-level and three-level neutral point clamp (NPC) inverters.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于集成磁路的隔离型三相逆变器技术具有显著的应用潜力。该技术通过磁通速率控制实现谐波滤波,采用主逆变器和控制逆变器协同工作的创新架构,其中主逆变器在基频下以方波模式运行,而控制逆变器仅处理部分功率进行PWM调制。这种设计理念与我们在大功率光伏逆变器和储能变流器领域追求的高效率、低损耗目标高度契合。
该技术的核心价值在于三个方面:首先,主逆变器的低频开关运行可显著降低开关损耗,这对于我们的MW级集中式光伏逆变器和储能PCS产品至关重要,有望进一步提升系统效率;其次,集成磁路实现的电气隔离功能可简化系统拓扑,减少外围隔离变压器需求,这在工商业储能和户用光伏系统中具有明显的成本和体积优势;第三,负载侧无功率电子器件的设计提供了更好的扩展灵活性,特别适合我们的模块化储能系统架构。
然而,该技术也面临工程化挑战。八肢E-I-E型磁路的设计和制造复杂度较高,需要评估在大规模生产中的成本效益。论文虽提供了与传统两电平和NPC三电平逆变器的对比,但在实际应用中还需验证其在宽工况范围、温度适应性和长期可靠性方面的表现。此外,磁路集成方案的功率密度提升潜力需要与我们现有的碳化硅技术路线进行综合评估。
建议将此技术纳入中长期研发规划,优先在中小功率储能变流器产品线进行原理样机验证,重点评估其在降低系统成本和提升功率密度方面的实际效果。