以往有源电容虽有良好的滤波效果，但储能元件波动受到开关管耐压和耐流的限制，仅能适用于中小功率场合。本文提出一种基于差频无功理论的有源电容，可在一定程度上突破该限制。
研究背景
逆变器为能源转换和电力供应的关键设备，但其固有二次纹波威胁系统性能稳定性。由于电解电容价格低廉、电容量大，常被并联至逆变器直流侧以实现二次纹波的吸收，然而其存在体积庞大、寿命易受环境影响的缺陷，去电解电容化被广泛研究。
有源电容是去电解电容化的方案之一，传统有源电容滤波效果优良，但其滤波功率等级受限，难以适配高功率应用场景。随着可再生能源与分布式电源系统的快速发展，提升有源电容的功率吸收能力，已成为该领域亟待突破的关键技术方向。
论文所解决的问题及意义
为解决以往有源电容虽有良好的滤波效果，但储能元件波动受到开关管耐压和耐流的限制，仅能适用于中小功率场合这一问题，本文提出一种基于差频无功理论的有源电容（图1）。
引入差频无功概念，有源电容利用高频矢量合成低频差频无功补偿逆变器二次纹波，提升储能元件工作频率；设计有源电容阻抗网络，通过串联谐振与并联谐振结合，在放大储能元件电压、电流波动的同时，避免该波动对开关器件造成影响，显著提高了有源电容器对二倍频波动功率的吸收能力。
图1 有源电容拓扑结构
论文方法及创新点
1、差频无功理论
选择两频率相近的高频旋转电压矢量，二者频率之差即为差频。该电压矢量作用于阻抗网络后产生与之频率相同的电流矢量（图2）。四者可产生频率为差频的无功功率，即为差频无功。
图2 电压电流相位图
利用差频无功补偿逆变器二倍工频功率，即为差频无功理论。
2、有源电容结构设计
利用三相桥开关动作合成电压矢量，进一步利用阻抗网络合成差频无功功率，以实现对二倍频波动功率的有效补偿。
为提高有源电容效率，避免额外的损耗，选择纯感性或纯容性的阻抗网络。选择三相对称的LCL混合谐振网络作为有源电容的阻抗网络。
将差频无功有源电容与常规Buck、Buck-Boos并联解耦电路和串联解耦电路进行多维度对比（表1）。对比可知，本文所提有源电容在解耦能力上存在优势，突破了开关管耐压对解耦功率等级的限制，使其在大功率场合的应用具有一定潜力和优势。
表1 与其他并联解耦电路性能比较
3、控制方案
本文采用一种基于P&O算法的控制方法，对其中一个高频电压矢量V1进行给定，根据逆变器直流侧的二倍频波动功率对V2的大小和相位进行控制，简化了对基于差频无功理论的有源电容的控制。
图3 有源电容控制框图
4、实验验证
为更好地证明上述理论，搭建了小功率实验平台。将有源电容并联接入单相逆变器直流侧，得到实验波形（图4、图5、图6）。
图4 接入有源电容后单相逆变器实验波形
图5 有源电容内部无源元件实验波形
图6 三相储能电容电压实验波形
结论
1）基于差频无功理论的有源电容储能电容工作频率高，且电压正负运行，提高了电容利用率，可选择同型号体积更小的电容。
2）利用谐振放大了储能电容电压波动，使该有源电容解耦能力得到增强。
3）解耦电容电压波动并不对开关管造成负面影响，支路电流大小与解耦功率相关，开关管的电压、电流应力低，降低了成本。
来源：电工技术学报 |
