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模块化磁耦合变换器的功率流解耦方法
Power-Flow Decoupling Method for the Modular Magnetic-Coupled Converter (MMCC)
| 作者 | Sixing Du · Sicheng He · Qunsheng Song · Jinjun Liu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 技术标签 | 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 模块化磁耦合变换器 功率流解耦方法 数学模型简化 计算负担降低 实验验证 |
语言:
中文摘要
模块化磁耦合变换器(MMCC)有助于大幅减少中压交 - 交应用中的直流电容和变压器体积(Du 等人,2024)。然而,采用非谐振运行的内部磁耦合直直变换级存在严重的功率流交叉耦合问题,这限制了 MMCC 在混合交直流和纯直直应用中的使用。为解决该问题,本文提出一种功率流解耦方法。该方法首次通过数学模型简化,将复杂的功率流关系解耦为简洁的线性关系。这种简化是通过定义实轴与总和平均相量对齐的坐标系,并采用三角近似法量化总和平均相量幅值来实现的。与现有的软硬件解决方案相比,1)该方法通过简化数学模型而非随意解析复杂关系来解耦功率流,在多端口应用中可使计算负担降低 99.5%以上;2)由于不依赖任何主导有源桥的硬件,即使在直流端口故障条件下也能确保可靠的解耦操作。不过,该方法对 LC 谐振槽电感有额外要求,需要进行特殊设计。200 V、3.0 kW 的实验充分验证了所提方法的有效性。
English Abstract
The modular magnetic-coupled converter (MMCC) contributes to the significant reductions in dc capacitance and transformer volume in medium-voltage ac–ac applications (Du et al., 2024). However, the internal magnetic-coupled dc–dc stage with none-resonance operation suffers from serious power-flow cross-coupling issue, which prevents MMCC from hybrid ac–dc and pure dc–dc applications. To solve this problem, this article proposes a power-flow decoupling method. For the first time, it decouples the complex power-flow relationships into a concisely linear relationship via mathematical model simplification. The simplification is realized by defining coordinate with real-axis aligning to the sum average phasor and by quantifying the sum average phasor amplitude with triangular approximation. As compared to the prior software and hardware solutions, 1) the proposal decouples the power flows by simplifying the mathematical model rather than by arbitrarily resolving the complex relationships, leading to more than 99.5% reduction in calculation burden in multiple port applications; and 2) it secures the reliable decoupling operations even under dc port fault condition because it does not rely on the hardware of any dominant active bridge. Nevertheless, the proposed method imposes extra requirement on the LC-tank inductance, which has to be specially designed. The validation of the proposed method is fully confirmed by the 200-V 3.0-kW experiments.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项模块化磁耦合变换器(MMCC)的功率解耦技术具有重要的战略价值。该技术通过数学模型简化实现功率流线性解耦,将计算负担降低99.5%以上,这对我司在储能系统和光储一体化解决方案中的多端口功率管理具有直接应用意义。
在储能系统领域,该技术能够显著降低直流电容需求和变压器体积,这与我司追求高功率密度、降低系统成本的产品战略高度契合。特别是在中压交直流混合应用场景中,如大型工商业储能和电网侧储能项目,MMCC的紧凑设计可有效减少占地面积和初始投资。更重要的是,该解耦方法不依赖于任何主导有源桥的硬件,在直流端口故障条件下仍能保持可靠运行,这对提升储能系统的安全性和容错能力至关重要。
然而,技术应用仍面临挑战。论文基于200V/3kW的实验验证,与我司商用产品动辄数百千瓦至兆瓦级的功率等级存在显著差距,功率放大过程中的热管理、电磁兼容性和控制稳定性需要深入验证。此外,LC谐振槽电感的特殊设计要求可能增加定制化成本,需评估其对产品标准化和供应链管理的影响。
建议我司技术团队关注该技术在混合储能系统(如光伏+储能+充电桩)中的多端口功率协调应用,同时开展高功率等级下的仿真研究,评估将其集成到新一代PowerTitan储能系统或液冷一体柜产品中的可行性,以巩固我司在储能变流器技术领域的领先地位。