第三届电力电子科普作品创作大赛-入围奖

上海科技大学 刘兆骋、诸葛英健、王浩宇

我们无法储存一缕阳光，但我们可以捕捉它的能量。屋顶光伏板列阵，将阳光转为电能。庭院之中，车顶光伏板为电车静静补充着绿色动力。这一切的能量，都始于一场微观世界的相遇。

当能量足够的光子被硅吸收时，会激发价带电子跃迁到导带，产生电子-空穴对。PN 结的内建电场会有效地分离这些光生载流子，将电子驱向 N 区，空穴驱向 P 区，从而在外部电路形成电流，这是光能变为电能的微观起点。

从单晶硅光伏电池到柔性的薄膜太阳能电池，光伏电池一步步成为现实。太阳能技术从最初的赋能卫星，已经广泛应用到大众日常生活中，如路灯与计算器。

太阳能光伏组件是由互联的太阳能电池单元组成，主要由八大部分构成：钢化玻璃、EVA、电池片、TPT、硅胶、焊带、接线盒和铝合金边框。光伏板内部结构，是实现光电转换的精密战场。而其产生的直流电，即将开启一场高效的转换旅程。

光伏板、电池、电网在此交汇，由变换器统一调度，输出直流与交流电。针对这一系统中的不同应用，我们实验室提出了不同的解决方案。

针对车载集成光伏系统所需的低压光伏电池到高压电池包的电压转换需求，我们提出高升压比交错并联准谐振拓扑，该方案仅需单级功率变换且元件数量极少。其交错并联电流馈电结构在提升电压增益的同时，能维持光伏侧的低电流纹波。所提出的准谐振拓扑通过单个低侧开关实现部分谐振，既简化控制又降低成本。此外，副边谐振电容还有助于提升电压增益。该变换器在实现软开关优势的同时保持低电流纹波，使其特别适用于车顶光伏应用场景。

在 800V 直流微电网中，能量路由器对于管理低压光伏板、储能电池与高压直流母线之间的功率分配至关重要。针对高升压比、多向功率流动，并在宽输入电压和负载范围内保持高效率这三个要求，我们提出交错 Boost 变换器与有源四倍压电路相结合的变换器拓扑，相较传统设计电压应力降低 50%。同时，通过融合脉宽调制与移相调制的混合调制策略，在优化开关损耗与循环损耗的同时，最小化变压器匝数和总功率损耗。

在住宅光伏（PV）系统中，微逆变器将光伏板连接到交流母线。针对住宅光伏系统中传统微型逆变器依赖大容量电解电容的问题，我们提出一种适用于 DAB 微型逆变器的自适应虚拟母线策略。该微逆变器采用准单级设计，通过虚拟总线互联，该总线呈现显著的双倍工频电压纹波。前级通过 Boost 升压电路调节虚拟母线电压，后级利用 DAB 逆变器实现交流输出。此架构通过将不匹配的功率缓冲在最小化的总线电容上，并动态调整 DAB 逆变器的工作状态，实现了自适应功率解耦（APD），从而提升功率密度。此外，通过解耦两部分的控制算法，我们减少了所需电压和电流传感器的数量，从而简化了整个控制系统。

我们的屋顶，不再是简单的遮蔽物，而是一个个微型的、高效的发电站。当千千万万个这样的微型电站互联时，我们构建的不再只是一个供电系统，而是一个分布式的、具有韧性的绿色能源互联网。