一种有源电容变换器的分析与设计

摘要

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员魏川翔、罗全明、俎阿倩、周雒维，在2019年第12期《电工技术学报》上撰文指出，单相功率变换器由于交流侧与直流侧瞬时功率不平衡，其内部直流母线电容通常采用容值大的电解电容。而电解电容存在使用寿命短、热稳定性差等固有缺陷，影响变换器的使用寿命及可靠性。

为此，该文设计一种有源电容变换器，通过控制其端口电压、电流满足电容元件的电压、电流微分关系，从而实现容值确定的有源电容来替代原来的电解电容，进而克服电解电容使用寿命短、热稳定性差的缺陷，延长单相功率变换器的使用寿命并提高了其热稳定性。

本文首先介绍直流母线电容大小的计算方法，然后阐述有源电容变换器的工作原理及其参数定量设计的方法，最后利用仿真软件和样机进行相关仿真及实验验证，结果验证了理论分析和参数设计的正确性。

单相功率变换器（整流或逆变）已在光伏并网、LED驱动、机车牵引、不间断电源等系统中得到广泛应用。无论整流或是逆变，为平衡交直流侧瞬时功率并保证直流母线电压二倍工频纹波足够小（通常小于5%），其内部的直流母线电容通常采用大容值的电解电容。然而，电解电容存在可靠性差、寿命短等不足，因此，如何消除电解电容是目前单相功率变换器领域的研究热点之一。

现有消除电解电容的方法有无源和有源之分。无源方法的主要思路是采用无源器件或无源网络替代电解电容。而有源方法主要有以下两种：一是直接减小瞬时功率差；二是将瞬时功率差通过有源控制转移给非直流母线电容进行平衡。

不管是无源还是有源方法，其出发点均是使用长寿命、高耐压的非电解电容作储能电容来实现交直流侧瞬时功率的平衡，但是由于单个非电解电容（如薄膜电容）的容值较小，因此不能使用单个非电解电容去简单地替代电解电容。直接将多个陶瓷电容、薄膜电容等非电解电容并联用作直流母线电容是最简单的无源方法，但由于它们或体积大、或价格高，实际中难以得到应用。

文献[7-8]利用薄膜电容和电感组成二倍工频串联谐振电路替代电解电容，该无源方法同样存在体积大、重量大的不足。根据上述有源方法的思路一，文献[9-12]通过注入谐波电流减小交流侧功率脉动；文献[13-15]提出在满足负载要求的前提下增加直流侧功率脉动，虽然它们都能达到使用非电解电容作储能电容的目的，但不足在于均是以牺牲输入或输出性能为代价的。

根据上述有源方法的思路二，文献[16-19]通过有源滤波单元将瞬时功率差转移到其内部的电容来实现平衡，由于该电容不在直流母线上，其两端电压可大幅度波动从而充分发挥其功率平衡功能，大大减小所需电容的容值，因此便可采用非电解电容作储能电容，进而实现无电解电容单相功率变换器。

可以看出，无源方法的优点在于简单可靠，但存在成本高、体积大、重量大等不足；有源方法控制灵活，基于思路一的有源方法实现成本低，适用于成本控制严格且对性能要求不高的场合；基于思路二的有源方法实现成本相对较高，但不会影响输入、输出性能，适用于对性能要求高而对成本控制不严格的场合。比较而言，思路二较思路一更具应用前景。

现有文献报道的有源方法中的思路二大都采用有源滤波的控制思想，即需要采集单相功率变换器的输入或输出信息作为有源滤波单元补偿控制的参考信号。文献[16]通过采集单相功率变换器交流侧的输入电流来计算控制跟踪的参考信号；文献[17-18]分别通过采集单相功率变换器直流母线上的二倍工频纹波电流和电压作为控制的参考信号；文献[19]通过采集单相功率变换器的负载信息作为控制的参考信号。

综上，现有有源方法思路二存在的一个共同不足在于：有源滤波控制获取参考信号依赖单相功率变换器，替代电解电容的有源滤波单元需要根据具体的单相功率变换器进行相应的设计，难以实现模块化及标准化。如能实现容值确定的有源电容，在此基础上推进其模块化及标准化设计，进而可直接用有源电容替代相同容值的电解电容来实现无电解电容单相功率变换器，将具有较好的理论价值及实用前景。

为此，本文从等效电容的思路出发，提出并定量设计了一种容值确定的有源电容变换器（Active Capacitor Converter, ACC）。完成具体工作包括：首先根据单相功率变换器的需求，定量计算所需直流母线电容的大小，为设计ACC做准备；其次详细阐述ACC的工作原理及模块化设计实现的思路；然后对ACC的主电路进行定量设计，给出相关的设计实例；最后通过仿真和实验来验证理论分析和参数设计的正确性。

图2 有源电容变换器的原理框图

图10 ACC实验样机