- 頭條抑制單相逆變器低頻紋波的方案比較2020-12-13 作者：蔡高超 黃炎堯 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語福州大學電氣工程與自動化學院、福建省新能源發電與電能變換重點實驗室的研究人員蔡高超、黃炎堯、陳亦文，在2019年第12期《電氣技術》雜志上撰文（論文標題為“單相逆變器低頻紋波抑制方法探討”）指出，單相逆變器輸入側往往存在低頻脈動電流，需要利用很大的電解電容進行濾波，為了取得更好的濾波效果并減小濾波電路參數，有必要采用功率解耦技術解決低頻紋波抑制問題。 目前文獻報道的單相逆變器低頻紋波抑制方法大致分為5種情況：DC級功率解耦、兩級式功率解耦、AC級功率解耦、三端口功率解耦和無電解電容功率解耦。本文從電路拓撲、電路參數、解耦效果和控制策略幾個方面展開介紹，并對以上幾種技術進行了比較和評估，總結各功率解耦技術的優缺點及適用范圍。
隨著全球工業的發展，能源危機和環境惡化問題日益嚴重，新能源的開發與利用越來越得到人們的重視，而逆變技術是新能源發電系統中的關鍵技術。隨著家庭光伏能源使用率的逐步提升，中小功率逆變器將成為未來光伏系統發展的趨勢，然而單相逆變器輸入側低頻紋波在很大程度上影響逆變器的多項性能。
例如，在燃料電池的應用中，低頻脈動功率會增大燃料電池的損耗、降低系統的動態響應；在光伏發電場合會影響電路的最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）和光伏電池板的能量利用率，存在瞬時功率不匹配導致光伏發電系統的發電效率降低等問題。
為了抑制單相逆變器輸入側低頻紋波量，往往在逆變器輸入側并聯大電容，可以起到濾波作用，但存在體積增大以及電解電容壽命與光伏電池不匹配等問題，采用功率解耦技術的單相逆變器，可以在有效抑制紋波的同時，實現逆變器的高功率密度、高變換效率，所以功率解耦技術引起了人們的重視。
結論
通過對多種研究方案在功率解耦電路、樣機額定功率、輸入濾波電容容量、解耦電路儲能元件大小以及二次紋波占比幾個方面進行了對比，各項數據見表1。
從表1中可直觀看出各類解耦技術中，DC級功率解耦技術紋波抑制效果最好，其中文獻[9]的無源解耦技術效果最明顯，但解耦電容容值較大。有學者采用有源功率解耦可達到較理想紋波抑制效果，也提升了逆變系統的功率密度，工程應用性較強。
有學者均在直流母線采用LC濾波器并依據控制策略來進行紋波抑制，實現前級逆變器對二次紋波帶阻特性，后者濾波電容更大，但紋波抑制效果更好。
AC級功率解耦中，有學者僅給出了拓撲結構和實現方法，對于帶功率解耦的三端口逆變器，電路構成較復雜，其中后者所用功率開關管更少，拓撲功能更多。
有學者利用拓撲固有優勢，對濾波電容電壓參考控制量稍作改動即可實現紋波抑制，且無需引入功率解耦電路和大容量電解電容。
表1 各類功率解耦方案的參數及性能
通過以上對比總結以下幾點結論：
- 1）DC級解耦往往電路結構簡單，其中的無源解耦，雖紋波抑制率理想，但對于提升功率密度不理想；而有源解耦，可主動控制解耦電容能量傳輸，實現二次紋波抑制并使逆變器有較高的功率密度。
- 2）兩級式解耦方法不會額外引入開關管，現有文獻所述都是對二倍頻紋波實現高阻抗特性，只是各控制策略有所不同，對兩級拓撲優點明顯，提高了系統的安全性，但不適用于單級逆變器拓撲。
- 3）AC級解耦技術明顯降低解耦電容容值，但控制性能較一般。
- 4）三端口解耦目前常見的是通過引入耦合端口繞組，控制策略簡單，由于存在漏感會導致能量損耗，同時由于耦合電感會增大逆變器體積，影響功率密度，增加設計成本。
- 5）無電解電容功率解耦策略是通過對主動在輸出交流側注入一定量的倍頻諧波，完成二次紋波抑制，提升了逆變器功率密度，但是此方法引入了其他倍頻諧波，對逆變器系統帶來新的干擾量，有待完善。
- 6）不同解耦電路對二次紋波的抑制情況和解耦電容容量大小不同，每種方法在成本，控制策略，拓撲復雜度都會存在各種的利弊，可結合自身研究拓撲的情況綜合選取解耦技術，討論內容可為逆變器功率解耦研究提供參考。
