- 頭條一種有源電容變換器的分析與設計2020-07-23 作者：魏川翔、羅全明、俎阿倩、周雒維 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員魏川翔、羅全明、俎阿倩、周雒維，在2019年第12期《電工技術學報》上撰文指出，單相功率變換器由于交流側與直流側瞬時功率不平衡，其內部直流母線電容通常采用容值大的電解電容。而電解電容存在使用壽命短、熱穩定性差等固有缺陷，影響變換器的使用壽命及可靠性。 為此，該文設計一種有源電容變換器，通過控制其端口電壓、電流滿足電容元件的電壓、電流微分關系，從而實現容值確定的有源電容來替代原來的電解電容，進而克服電解電容使用壽命短、熱穩定性差的缺陷，延長單相功率變換器的使用壽命并提高了其熱穩定性。 本文首先介紹直流母線電容大小的計算方法，然后闡述有源電容變換器的工作原理及其參數定量設計的方法，最后利用仿真軟件和樣機進行相關仿真及實驗驗證，結果驗證了理論分析和參數設計的正確性。
單相功率變換器（整流或逆變）已在光伏并網、LED驅動、機車牽引、不間斷電源等系統中得到廣泛應用。無論整流或是逆變，為平衡交直流側瞬時功率并保證直流母線電壓二倍工頻紋波足夠小（通常小于5%），其內部的直流母線電容通常采用大容值的電解電容。然而，電解電容存在可靠性差、壽命短等不足，因此，如何消除電解電容是目前單相功率變換器領域的研究熱點之一。
現有消除電解電容的方法有無源和有源之分。無源方法的主要思路是采用無源器件或無源網絡替代電解電容。而有源方法主要有以下兩種：一是直接減小瞬時功率差；二是將瞬時功率差通過有源控制轉移給非直流母線電容進行平衡。
不管是無源還是有源方法，其出發點均是使用長壽命、高耐壓的非電解電容作儲能電容來實現交直流側瞬時功率的平衡，但是由于單個非電解電容（如薄膜電容）的容值較小，因此不能使用單個非電解電容去簡單地替代電解電容。直接將多個陶瓷電容、薄膜電容等非電解電容并聯用作直流母線電容是最簡單的無源方法，但由于它們或體積大、或價格高，實際中難以得到應用。
文獻[7-8]利用薄膜電容和電感組成二倍工頻串聯諧振電路替代電解電容，該無源方法同樣存在體積大、重量大的不足。根據上述有源方法的思路一，文獻[9-12]通過注入諧波電流減小交流側功率脈動；文獻[13-15]提出在滿足負載要求的前提下增加直流側功率脈動，雖然它們都能達到使用非電解電容作儲能電容的目的，但不足在于均是以犧牲輸入或輸出性能為代價的。
根據上述有源方法的思路二，文獻[16-19]通過有源濾波單元將瞬時功率差轉移到其內部的電容來實現平衡，由于該電容不在直流母線上，其兩端電壓可大幅度波動從而充分發揮其功率平衡功能，大大減小所需電容的容值，因此便可采用非電解電容作儲能電容，進而實現無電解電容單相功率變換器。
可以看出，無源方法的優點在于簡單可靠，但存在成本高、體積大、重量大等不足；有源方法控制靈活，基于思路一的有源方法實現成本低，適用于成本控制嚴格且對性能要求不高的場合；基于思路二的有源方法實現成本相對較高，但不會影響輸入、輸出性能，適用于對性能要求高而對成本控制不嚴格的場合。比較而言，思路二較思路一更具應用前景。
現有文獻報道的有源方法中的思路二大都采用有源濾波的控制思想，即需要采集單相功率變換器的輸入或輸出信息作為有源濾波單元補償控制的參考信號。文獻[16]通過采集單相功率變換器交流側的輸入電流來計算控制跟蹤的參考信號；文獻[17-18]分別通過采集單相功率變換器直流母線上的二倍工頻紋波電流和電壓作為控制的參考信號；文獻[19]通過采集單相功率變換器的負載信息作為控制的參考信號。
綜上，現有有源方法思路二存在的一個共同不足在于：有源濾波控制獲取參考信號依賴單相功率變換器，替代電解電容的有源濾波單元需要根據具體的單相功率變換器進行相應的設計，難以實現模塊化及標準化。如能實現容值確定的有源電容，在此基礎上推進其模塊化及標準化設計，進而可直接用有源電容替代相同容值的電解電容來實現無電解電容單相功率變換器，將具有較好的理論價值及實用前景。
為此，本文從等效電容的思路出發，提出并定量設計了一種容值確定的有源電容變換器（Active Capacitor Converter, ACC）。完成具體工作包括：首先根據單相功率變換器的需求，定量計算所需直流母線電容的大小，為設計ACC做準備；其次詳細闡述ACC的工作原理及模塊化設計實現的思路；然后對ACC的主電路進行定量設計，給出相關的設計實例；最后通過仿真和實驗來驗證理論分析和參數設計的正確性。
圖2 有源電容變換器的原理框圖
