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系统并网技术 DC-DC变换器 ★ 5.0

基于分数阶虚拟阻抗的差分升压逆变器低频电流纹波抑制方法

Fractional-Order Virtual Impedance-Based Low-Frequency Current Ripple Mitigation for a Differential Boost Inverter

作者 Hongyan Zhou · Liangzong He
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年12月
技术分类 系统并网技术
技术标签 DC-DC变换器
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 差分升压逆变器 低频电流纹波 分数阶虚拟阻抗 分数阶滤波器 控制策略
语言:

中文摘要

差分升压逆变器(DBI)由两个相同的直流 - 直流升压转换器组成,已广泛应用于燃料电池和电池等低压直流电源的直流 - 交流转换系统中。然而,一个严重的问题是电源电流中存在显著的低频电流纹波(LFCR),这会导致系统不稳定、系统效率降低以及新能源电源的使用寿命缩短。DBI 可以双模式运行,兼具差模(DM)和共模(CM)功能。因此,DBI 可解耦为一个直流 - 直流转换器和一个逆变器。在差模下,交流输出电压能得到良好调节。在共模下,本文提出了一种基于分数阶虚拟阻抗(FOVI)的控制策略来降低低频电流纹波。其中,采用分数阶带通滤波器(FOBPF)以获得更好的动态性能,并引入分数阶陷波滤波器(FONF)以进一步降低低频电流纹波并提高系统稳定性。此外,插入阻尼电阻以解决 DBI 的谐振问题。文中给出了关键参数的详细设计过程,并深入讨论了分数阶滤波器的性能。最后,搭建并测试了一个 250 W 的样机,以验证所提出的基于 FOVI 的控制方法的有效性。

English Abstract

Differential boost inverter (DBI), which consists of two identical dc–dc boost converters, has been widely used in dc–ac conversion systems for low-voltage dc supplies such as fuel cells and batteries. However, a serious concern is the presence of significant low-frequency current ripple (LFCR) in the source current, which leads to system instability, reduced system efficiency, and a shortened lifetime of the new energy source. The DBI can be operated in dual mode, offering both differential mode (DM) and common mode (CM) functionality. Hence, the DBI is decoupled as a dc–dc converter and an inverter. The ac output voltage is well regulated under DM. Under CM, a control strategy based on fractional-order virtual impedance (FOVI) is proposed to reduce LFCR in this article. Where a fractional-order bandpass filter (FOBPF) is used for better dynamic performance, and a fractional-order notch filter (FONF) is introduced to further reduce LFCR and improve the system stability. Further, damping resistors are inserted to solve the resonance issue of DBI. The detailed design process of key parameters is given, and the performance of fractional-order filters is also deeply discussed. Finally, a 250 W prototype is constructed and tested to validate the effectiveness of the proposed FOVI-based control method.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于分数阶虚拟阻抗的低频电流纹波抑制技术具有重要的应用价值。差分升压逆变器(DBI)作为连接低压直流源(如燃料电池、储能电池)与交流负载的关键拓扑,其低频电流纹波(LFCR)问题一直是制约系统性能的瓶颈。该技术对我司储能系统、氢能电源转换以及低压光伏并网等产品线具有直接的技术借鉴意义。

该论文提出的分数阶虚拟阻抗(FOVI)控制策略通过差模-共模解耦思路,在保证交流输出电压质量的同时,利用分数阶带通滤波器和陷波滤波器实现了更优的动态性能和纹波抑制效果。相比传统整数阶控制,分数阶控制器提供了更多的设计自由度,能够在滤波性能和系统稳定性之间取得更好的平衡。这对于我司提升储能变流器PCS的电池侧电流质量、延长电池寿命具有重要价值,特别是在大规模储能电站应用中,电池循环寿命的提升将直接转化为显著的经济效益。

从技术成熟度评估,该研究已完成250W原型验证,但距离工业化应用仍有差距。主要挑战包括:分数阶控制器的数字实现复杂度较高,对DSP/FPGA的运算能力要求更高;参数设计过程较为复杂,需要建立完善的工程化设计规范;大功率场景下的谐振抑制和热管理问题需进一步验证。

建议我司技术团队关注分数阶控制理论在新能源变流器中的应用趋势,可考虑在下一代储能PCS和氢燃料电池变流器产品中开展预研,重点突破算法工程化实现和多机并联场景下的适应性问题,以巩固我司在高性能电力电子技术领域的领先地位。