两级式单相变换器的二次谐波电流抑制技术

两级式单相变换器的二次谐波电流抑制技术两级式单相PFC变换器的瞬时输入功率以两倍工频(2f_ine)脉动,导致前级PFC变换器的输出中存在二次谐波电流。两级式单相逆变器的瞬时输出功率以两倍输出电压频率（2f_o）脉动,导致后级DC/AC逆变器的输入中存在二次谐波电流。二次谐波电流会传播到DC/DC变换器、直流负载或直流输入源中,导致DC/DC变换器的变换效率和直流输入源的能量转换效率降低,并使直流输入源或直流负载的使用寿命缩短。

因此,为提高两级式单相变换器的变换效率以及燃料电池、光伏电池等新能源发电单元的能量转换效率,并延长其使用寿命,需要抑制DC/DC变换器、直流负载或直流输入源中的二次谐波电流。针对前级为Buck类DC/DC变换器的两级式逆变器,本文指出,将电感电流控制为平直的电流,并减小中间母线电压的脉动,可以减小DC/DC变换器和直流输入源中的二次谐波电流。在此基础上,提出了虚拟串并联阻抗方法:一是在前级Buck类DC/DC变换器的滤波电感支路中引入一个虚拟串联阻抗,该阻抗在2f_o处阻抗较高而在非2f_o处阻抗较小,以提高电感支路在2f_o处的闭环阻抗,从而抑制二次谐波电流;二是在中间直流母线上并联一个虚拟阻抗,该阻抗在2f_o处无穷大而在非2f_o处阻抗较小,以减小前级DC/DC变换器在非

2f_o处的闭环输出阻抗,从而改善其动态性能。

本文采用电感电流反馈来虚拟串联阻抗,采用中间母线电压反馈来虚拟并联阻抗,并根据其幅频特性要求分别设计这两个虚拟阻抗。基于虚拟串并联阻抗的实现方法,推导出了系列抑制前级Buck类DC/DC变换器二次谐波电流的方法,包括以前文献所提出的方法和一种加带通滤波器的电感电流反馈方法,并揭示不同

方法之间的内在关系。最后,完成一台1kW前级为Buck类DC/DC变换器的两级式逆变器,并对不同的控制方法进行验证和对比。

针对前级为Boost类DC/DC变换器的两级式逆变器,本文指出,将升压二极管电流或升压电感电流的平均值控制为平直的电流,并减小中间母线电压的脉动,可同时抑制DC/DC变换器和直流输入源中的二次谐波电流。为减小二次谐波电流,提出在升压二极管支路或升压电感支路中引入一个虚拟串联阻抗,该阻抗在

2f_o处阻抗较高而在非2f_o处阻抗较小,可增大它们在

2f_o处的闭环支路阻抗;同时,为改善其动态性能,在中间直流母线上引入一个虚拟并联阻抗,该阻抗在2f_o处无穷大而在非

2f_o处阻抗较小,可减小前级Boost变换器在非2f_o处的闭环输出阻抗。本文采用二极管电流（或电感电流）反馈来虚拟串联阻抗,采用中间直流母线电压反馈来虚拟并联阻抗,并给出了串并联阻抗的设计方法。

基于串并联阻抗的实现方法,提出了加带阻滤波器负载电流前馈的二次谐波电流抑制方法和电压调节器级联带阻滤波器并加入负载电流前馈的二次谐波电流抑制方法。最后,制作了一台1kW的前级为Boost变换器的两级式逆变器,并通过实验验证了所提出的控制策略。采用无电解电容的二次谐波电流补偿器（Second Harmonic Current Compensator,SHCC）来补偿单相PFC变换器或单相逆变器中的二次谐波电流,既可以消除DC/DC变换器、直流输入源或直流负载中的二次谐波电流,又可以大幅减小中间母线电容的容量,从而可使用寿命较长的薄膜电容作为中间母线电容。

SHCC有充电和放电两种工作模式。为使其端口电流准确地补偿二次谐波电流,提出了SHCC的单周期控制方法,指出,为使SHCC稳定工作,充电模式时,应直

接控制主管电流的平均值;放电模式时,应间接控制主管电流的平均值。基于此,提出了混合型单周期控制方法。

为进一步实现充电模式和放电模式间的无缝切换,提出了加直流电流偏置的单周期控制策略。针对由Buck双向变换器组成的SHCC,还提出了储能电容电压的峰值电压控制方法,以减小其轻载损耗。为验证所提出的加直流电流偏置的单周期控制和峰值电压控制,研制了一台1kW的含有SHCC的两级式单相逆变器,并给出了实验结果。

最后,将双向变换器的应用拓展到单相AC/DC/AC变换器中,并简要讨论如何利用其处理单相AC/DC/AC变换器中的脉动功率。