[论文解读] Modular Medium Voltage AC to Low Voltage DC Converter for Extreme Fast Charging Applications

M A Awal, Iqbal Husain+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Advanced DC-DC Converters参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文提出一种模块化、去中心化的中压交流（MVAC）转低压直流（LVDC）转换器，用于极端快速充电（XFC），采用单相模块（SPM）的输入串联输出并联（ISOP）配置。通过仅使用本地反馈实现DC-DC级的完全去中心化控制，并结合集中式低压直流（LVDC）电压调节，该方案在无需高速模块间通信的情况下实现了固有的电压与功率均衡，减少了中压直流（MVDC）母线电容尺寸，实现了可扩展、高可靠性的XFC系统，且控制复杂度极低。

ABSTRACT

A modular and scalable converter for medium voltage (MV) AC to low voltage (LV) DC power conversion is proposed; single-phase-modules (SPMs), each consisting of an active-front-end (AFE) stage and an isolated DC-DC stage, are connected in input-series-output-parallel (ISOP) configuration to reach desired voltage and power capacity. In prior art, high-speed bidirectional communication among modules and a centralized controller is required to ensure module-level voltage and power balancing, which severely limits the scalability and practical realization of higher voltage and higher power systems. Moreover, large capacitors are used to suppress double-line-frequency voltage variations on the common MV DC bus shared by the AFE and the DC-DC stage originating from AC power pulsations through the SPMs. We propose a comprehensive controller which achieves voltage and power balancing using complete decentralized control of the DC-DC stages based on only local sensor feedback and the AFE stages are controlled using feedback of only the LV DC output. Furthermore, reduced capacitor requirement on the MV DC bus is achieved through design and control. The proposed method is validated through simulation and experimental results.

研究动机与目标

• 解决现有多模块固态变压器（SST）在极端快速充电（XFC）应用中因依赖集中式控制器和高速通信而带来的可扩展性限制。
• 通过仅使用本地传感器反馈实现DC-DC级的去中心化控制，消除对复杂模块间通信的需求。
• 通过谐振补偿器设计抑制双工频电压纹波，从而减小中压直流（MVDC）母线电容尺寸。
• 在组件参数存在差异的情况下，实现SPM之间固有的电压与功率均衡，确保在瞬态条件下稳定运行。
• 通过全尺寸原型验证软启动与动态负载响应在实际组件公差下的可行性。

提出的方法

• 系统采用单相模块（SPM）的ISOP配置，每个SPM包含一个有源前端（AFE）级和基于模块化多电平换流器（MMC）与双有源桥（DAB）拓扑的隔离式DC-DC级。
• DC-DC级采用仅基于MVDC母线电压与电流本地测量的去中心化控制，无需模块间通信。
• AFE级仅基于低压直流（LVDC）输出电压反馈进行控制，而LVDC母线电压则由集中式控制器调节至参考值。
• 在DC-DC级控制中集成谐振补偿器，以主动抑制MVDC母线上的双工频电压纹波，降低电容需求。
• 利用快速本地控制环（DC-DC）与较慢的集中式调节（LVDC）之间的时序分离，使DC-DC级表现如理想直流变压器。
• 对漏感与MVDC母线电容的组件参数差异（±17%）进行仿真与测试，以验证鲁棒性与固有的均衡能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖高速模块间通信或DC-DC级集中协调的情况下，实现SPM之间固有的电压与功率均衡？
• RQ2 谐振补偿器在抑制MVDC母线上的双工频电压纹波方面效果如何，能否显著减少所需电容尺寸？
• RQ3 所提出的去中心化控制架构在组件公差与动态负载变化下，能否保持稳定与均衡？
• RQ4 仅使用本地反馈与集中式LVDC调节，系统是否能实现稳定软启动，避免瞬态过电压或电流冲击？
• RQ5 在空载至满载与满载至空载的瞬态过程中，系统性能如何？是否能维持电压与功率均衡？

主要发现

• 所提出的控制器在漏感与MVDC母线电容参数差异高达±17%的情况下，成功实现了18个SPM之间的固有电压与功率均衡。
• 谐振补偿器有效消除了MVDC母线上的双工频电压纹波，将纹波从约90 V（无补偿时）降低至可忽略水平。
• 在空载至满载与满载至空载的阶跃变化后，LVDC母线电压迅速稳定在参考值，瞬态响应极小。
• 通过全尺寸SPM原型实验，成功验证了软启动时序控制，MVDC母线充电稳定，且在电网并网过程中无瞬态过电压。
• 系统在实际组件公差下表现出强健性能，证实了去中心化控制在可扩展、高功率XFC系统中的可行性。
• 所提出的架构显著降低了对大尺寸MVDC母线电容的依赖，并消除了对复杂、高带宽通信网络的需求，大幅提升了系统的可扩展性与实际部署潜力。