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基于损耗优化的宽负载适应性单级双有源桥微逆变器设计
Design of a Single-Stage Dual Active Bridge Microinverter With Wide Load Adaptability Based on Loss Optimization
| 作者 | Xuchi Xue · Zhitao Liu · Weihan Li · Hongye Su |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | DAB |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 单级双有源桥变换器 离网负载 控制环路 系统效率 微逆变器原型 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种具备离网负载能力的单级双有源桥（DAB）直流 - 交流转换器的优化设计方案。DAB 转换器因其双向功率传输和高功率密度特性而备受关注。然而，储能装置在离网运行时需要具备对负载的适应性。本文基于控制变量的线性化，建立了一个新的控制回路。其目标是最小化电流应力和均方根电流，这会对外部相移角进行约束，从而提高系统效率。此外，从损耗模型的角度出发，基于所选的开关器件研究了系统的最佳工作频率范围。结合绕组方式，对磁性元件的参数进行了优化，这进一步提高了系统效率。搭建了一台 600 W 的 DAB 微型逆变器样机，并在各种负载下进行了实验验证。结果证实，所提出的方法能够提高系统的整体效率，在阻性负载下实现了 97.89% 的峰值效率。
English Abstract
This article presents an optimized design of a single-stage dual active bridge (DAB) dc–ac converter with off-grid load capability. DAB converters have attracted attention due to their bidirectional power transmission and high power density characteristics. However, adaptability to loads is required during off-grid operation of energy storage devices. Based on the linearization of control variables, a new control loop is established in this article. The objective is to minimize current stress and root mean square current, which constrains the outer phase-shift angle, thereby enhancing system efficiency. Furthermore, from the perspective of the loss model, the optimal operating frequency range of the system was studied based on the selected switching devices. Combined with winding methods, the parameters of the magnetic components were optimized. This further improved the system's efficiency. A 600 W DAB microinverter prototype was built and experimentally verified on various loads. The results confirmed that the proposed method can improve the overall system efficiency and achieve a peak efficiency of 97.89% under resistive load.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项单级双有源桥（DAB）微逆变器技术具有重要的战略价值。该技术通过损耗优化实现了97.89%的峰值效率，这与我司在光伏逆变器和储能系统领域追求的高效率目标高度契合。
该技术的核心创新在于通过控制变量线性化建立新型控制环路，有效降低电流应力和均方根电流，这对我司储能变流器产品线具有直接应用价值。特别是其离网负载适应能力，可显著增强我司储能系统在微电网和离网场景中的表现，这正是当前分布式能源和户用储能市场的刚需。DAB拓扑的双向功率传输特性与我司储能PCS产品的技术路线天然契合，能够支持光储充一体化解决方案的灵活配置。
从技术成熟度评估，600W原型机已完成多种负载验证，表明技术已达到工程化阶段。磁性元件参数优化和绕组方法改进的系统性研究，为产品化提供了清晰的设计路径。该技术可优先应用于我司的户用光伏微逆变器和模块化储能系统，逐步向更大功率等级扩展。
然而也存在挑战：单级拓扑在电压范围适应性方面可能受限，需要评估与我司现有产品电压平台的兼容性；基于损耗模型的频率优化方法需要针对不同功率等级重新标定；离网模式下的电能质量控制和孤岛保护策略需要深化研究。建议我司技术团队重点关注该技术在组串式储能和便携式电源产品中的应用潜力，同时开展多端口DAB拓扑的前瞻性研究，以支撑光储直柔等新兴业务场景。