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  • 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(shù)》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院、福建省新能源發(fā)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(shù)》雜志上撰文(論文標(biāo)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(cè)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(shù),有必要采用功率解耦技術(shù)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(shù)、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(shù)進行了比較和評估,總結(jié)各功率解耦技術(shù)的優(yōu)缺點及適用范圍。

    隨著全球工業(yè)的發(fā)展,能源危機和環(huán)境惡化問題日益嚴(yán)重,新能源的開發(fā)與利用越來越得到人們的重視,而逆變技術(shù)是新能源發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。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(tǒng)發(fā)展的趨勢,然而單相逆變器輸入側(cè)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(yīng)用中,低頻脈動功率會增大燃料電池的損耗、降低系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng);在光伏發(fā)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(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率降低等問題。

    為了抑制單相逆變器輸入側(cè)低頻紋波量,往往在逆變器輸入側(cè)并聯(lián)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(shù)的單相逆變器,可以在有效抑制紋波的同時,實現(xiàn)逆變器的高功率密度、高變換效率,所以功率解耦技術(shù)引起了人們的重視。

    結(jié)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(shù)據(jù)見表1。

    從表1中可直觀看出各類解耦技術(shù)中,DC級功率解耦技術(shù)紋波抑制效果最好,其中文獻[9]的無源解耦技術(shù)效果最明顯,但解耦電容容值較大。有學(xué)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(tǒng)的功率密度,工程應(yīng)用性較強。

    有學(xué)者均在直流母線采用LC濾波器并依據(jù)控制策略來進行紋波抑制,實現(xiàn)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(xué)者僅給出了拓撲結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法,對于帶功率解耦的三端口逆變器,電路構(gòu)成較復(fù)雜,其中后者所用功率開關(guān)管更少,拓撲功能更多。

    有學(xué)者利用拓撲固有優(yōu)勢,對濾波電容電壓參考控制量稍作改動即可實現(xiàn)紋波抑制,且無需引入功率解耦電路和大容量電解電容。

    學(xué)術(shù)簡報︱抑制單相逆變器低頻紋波的方案比較

    表1 各類功率解耦方案的參數(shù)及性能

    通過以上對比總結(jié)以下幾點結(jié)論:

    • 1)DC級解耦往往電路結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(guān)管,現(xiàn)有文獻所述都是對二倍頻紋波實現(xiàn)高阻抗特性,只是各控制策略有所不同,對兩級拓撲優(yōu)點明顯,提高了系統(tǒng)的安全性,但不適用于單級逆變器拓撲。
    • 3)AC級解耦技術(shù)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(dǎo)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(shè)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(cè)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(tǒng)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(fù)雜度都會存在各種的利弊,可結(jié)合自身研究拓撲的情況綜合選取解耦技術(shù),討論內(nèi)容可為逆變器功率解耦研究提供參考。