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單相功率變換器（整流或逆變）已在光伏并網(wǎng)、LED驅(qū)動(dòng)、機(jī)車(chē)牽引、不間斷電源等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。無(wú)論整流或是逆變，為平衡交直流側(cè)瞬時(shí)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(nèi)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(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

現(xiàn)有消除電解電容的方法有無(wú)源和有源之分。無(wú)源方法的主要思路是采用無(wú)源器件或無(wú)源網(wǎng)絡(luò)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(shí)功率差；二是將瞬時(shí)功率差通過(guò)有源控制轉(zhuǎn)移給非直流母線電容進(jìn)行平衡。

不管是無(wú)源還是有源方法，其出發(fā)點(diǎn)均是使用長(zhǎng)壽命、高耐壓的非電解電容作儲(chǔ)能電容來(lái)實(shí)現(xiàn)交直流側(cè)瞬時(shí)功率的平衡，但是由于單個(gè)非電解電容（如薄膜電容）的容值較小，因此不能使用單個(gè)非電解電容去簡(jiǎn)單地替代電解電容。直接將多個(gè)陶瓷電容、薄膜電容等非電解電容并聯(lián)用作直流母線電容是最簡(jiǎn)單的無(wú)源方法，但由于它們或體積大、或價(jià)格高，實(shí)際中難以得到應(yīng)用。

文獻(xiàn)[7-8]利用薄膜電容和電感組成二倍工頻串聯(lián)諧振電路替代電解電容，該無(wú)源方法同樣存在體積大、重量大的不足。根據(jù)上述有源方法的思路一，文獻(xiàn)[9-12]通過(guò)注入諧波電流減小交流側(cè)功率脈動(dòng)；文獻(xiàn)[13-15]提出在滿足負(fù)載要求的前提下增加直流側(cè)功率脈動(dòng)，雖然它們都能達(dá)到使用非電解電容作儲(chǔ)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(jià)的。

根據(jù)上述有源方法的思路二，文獻(xiàn)[16-19]通過(guò)有源濾波單元將瞬時(shí)功率差轉(zhuǎn)移到其內(nèi)部的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)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(dòng)從而充分發(fā)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(chǔ)能電容，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)電解電容單相功率變換器。

可以看出，無(wú)源方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)成本低，適用于成本控制嚴(yán)格且對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合；基于思路二的有源方法實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較高，但不會(huì)影響輸入、輸出性能，適用于對(duì)性能要求高而對(duì)成本控制不嚴(yán)格的場(chǎng)合。比較而言，思路二較思路一更具應(yīng)用前景。

現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)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(bǔ)償控制的參考信號(hào)。文獻(xiàn)[16]通過(guò)采集單相功率變換器交流側(cè)的輸入電流來(lái)計(jì)算控制跟蹤的參考信號(hào)；文獻(xiàn)[17-18]分別通過(guò)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(hào)；文獻(xiàn)[19]通過(guò)采集單相功率變換器的負(fù)載信息作為控制的參考信號(hào)。

綜上，現(xiàn)有有源方法思路二存在的一個(gè)共同不足在于：有源濾波控制獲取參考信號(hào)依賴(lài)單相功率變換器，替代電解電容的有源濾波單元需要根據(jù)具體的單相功率變換器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，難以實(shí)現(xiàn)模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化。如能實(shí)現(xiàn)容值確定的有源電容，在此基礎(chǔ)上推進(jìn)其模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而可直接用有源電容替代相同容值的電解電容來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)電解電容單相功率變換器，將具有較好的理論價(jià)值及實(shí)用前景。

為此，本文從等效電容的思路出發(fā)，提出并定量設(shè)計(jì)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(jù)單相功率變換器的需求，定量計(jì)算所需直流母線電容的大小，為設(shè)計(jì)ACC做準(zhǔn)備；其次詳細(xì)闡述ACC的工作原理及模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的思路；然后對(duì)ACC的主電路進(jìn)行定量設(shè)計(jì)，給出相關(guān)的設(shè)計(jì)實(shí)例；最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論分析和參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性。

圖2 有源電容變換器的原理框圖