电解槽用双有源桥变换器调制策略的评估与优化：峰值电流最小化的创新方法

《IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society》：Evaluation and Optimization of Modulation Strategies of a Dual Active Bridge Converter for Electrolyzers

本文针对电解槽作为非线性、低电压、高电流负载对功率转换系统提出的挑战，研究了双有源桥(DAB)变换器在电解应用中的调制策略。研究人员系统分析了单相移(SPS)、双相移(DPS)和三相移(TPS)调制方案，提出了一种基于MATLAB fmincon函数的峰值电流优化方法，并确定了不同功率等级(1kW、10kW、100kW)下的最优运行轨迹。实验和仿真验证表明，该方法在1kW系统中100W时峰值电流降低15.75%，10kW系统中1kW时降低42.71%，100kW系统中10kW时降低60%，显著提升了DAB变换器在电解应用中的性能。

　　

随着全球能源转型的加速推进，绿色氢能作为可持续能源载体的重要性日益凸显。电解槽作为绿色氢能生产的核心设备，通过电解水过程将可再生能源转化为氢能，但其独特的非线性、低电压、高电流负载特性对功率转换系统提出了严峻挑战。传统的交流供电系统需要配备笨重的工频变压器，而基于直流配电的系统采用高频变压器的DC-DC变换器具有体积小、成本低、谐波影响小等优势，更适合电解槽应用。

在众多隔离型DC-DC变换器拓扑中，双有源桥(Dual Active Bridge, DAB)变换器因其高效率和功率密度而备受关注。然而，DAB变换器的性能在很大程度上依赖于调制策略的选择，不同的调制方案会影响峰值电流、效率和谐振特性。特别是电解槽负载的动态特性使得电压增益偏离单位值，导致循环电流增加和效率下降，这在高功率电解应用中尤为明显。

目前针对DAB变换器的研究主要集中在直流电网和电动汽车充电等领域，而对电解应用的专门研究相对缺乏。不同调制策略在电解槽这种特殊负载下的性能对比和优化研究尚属空白。为此，荷兰代尔夫特理工大学的研究团队在《IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society》上发表了这项重要研究，系统评估了DAB变换器在电解应用中的调制策略并提出了优化方法。

研究团队采用碱性电解槽的电气模型，考虑了可逆堆电位、活化电位和欧姆电位等关键参数。针对三种功率等级(1kW、10kW、100kW)的电解槽系统，设计了相应的DAB变换器参数，包括输入输出电压、变压器匝比、串联电感和开关频率等核心技术规格。

研究的关键技术方法包括：首先建立了电解槽的完整数学模型，包含温度依赖性常数和面积比电阻值；其次，详细分析了SPS、DPS和TPS三种调制方案的工作模式，推导了各模式下的输出功率和状态电流表达式；然后采用MATLAB的fmincon函数进行峰值电流优化，通过设定等式和不等式约束条件，确定最优相移比组合；最后通过实验和仿真验证了优化结果，使用1kW、20kHz的DAB原型机进行实验验证，10kW和100kW系统则通过MATLAB仿真进行验证。

调制策略分析与比较

研究人员首先对三种调制策略进行了理论分析。单相移(SPS)调制作为基础方案，控制简单但存在电压增益偏离单位值时循环电流增加的问题。双相移(DPS)调制引入两个相移比(d₁和d₂)，通过四種工作模式扩展了软开关范围并降低了电流应力。三相移(TPS)调制则进一步增加了一个独立的相移比(d₃)，提供了三个自由度，使得SPS和DPS成为其特例。理论分析表明，TPS调制能显著减少电压过零期间电流不为零导致的面积，从而降低低功率运行时的无功功率。

峰值电流优化方案

针对DPS和TPS调制中相移比组合的复杂性，研究团队提出了基于峰值电流最小化的优化方法。通过定义目标函数i_L(peak)(d,k)=max(K₀I₀,K₁I₁,K₂I₂,K₃I₃)，并设置功率平衡等式约束和相移比不等式约束，使用fmincon函数求解最优相移比。优化过程考虑了电解槽负载的动态特性，确保在整个运行范围内实现峰值电流最小化。

调制策略性能对比

研究结果显示，电解槽负载与常规恒压负载在调制策略性能上存在显著差异。对于1kW电解槽，SPS和DPS Mode-I在大部分功率范围内性能最优，而TPS Mode-III在低于200W时表现最佳。10kW电解槽在4kW以下时TPS Mode-III优势明显，峰值电流降低达42.71%。100kW电解槽在60kW以下时TPS调制显著优于SPS，峰值电流降低高达60%。这种性能差异随着电解槽功率等级的增加而变得更加明显。

优化运行轨迹确定

通过设定偏差阈值ε，研究确定了不同功率等级下的最优运行轨迹。当ε=5%时，1kW电解槽在200W以上主要采用SPS调制，以下采用TPS Mode-III；10kW电解槽在4kW以上采用SPS，以下采用TPS Mode-III；100kW电解槽在60kW以上采用SPS，以下采用TPS Mode-III。这种分段优化策略在保证性能的同时减少了调制方案之间的切换次数。

实验验证结果

实验结果表明，优化后的调制策略能有效降低峰值电流。1kW原型机在100W时峰值电流降低15.75%，10kW系统在1kW时降低42.71%，100kW系统在10kW时降低60%。效率测量显示，在额定功率时三种调制方案效率相近(SPS 96.20%，DPS 96.17%，TPS 96.36%)，但在低功率时DPS和TPS能维持较高效率，如100W时DPS效率达90.89%，而SPS仅为88.15%。

本研究通过系统分析DAB变换器在电解应用中的调制策略，建立了完整的优化框架和运行轨迹确定方法。研究结果表明，电解槽负载的特殊性要求针对性的调制策略优化，传统的SPS调制在高功率电解槽低功率运行时存在明显局限性。提出的峰值电流优化方法能有效降低变压器峰值电流，提高系统效率，为电解槽用DAB变换器的设计和控制提供了重要理论依据和实践指导。该研究成果对推进绿色氢能技术的发展具有重要意义，为高效、高功率密度的电解系统功率转换解决方案提供了创新思路。