摘 要

在单相逆变器或整流器中，交流侧含有二倍工频的瞬时脉动功率，二倍频脉动功率会传递到直流侧,形成二倍工频纹波，对单相变换器的安全、稳定和可靠运行带来巨大的威胁。为了保护直流侧不受到交流侧脉动功率的影响，会使用电解电容实现功率解耦。由于电解电容能量利用率低，所需要容值较大；并且ESR大，导致流过低频纹波电流时，损耗和温升大，可靠性低，因此使用DC-Link电解电容限制了单相变换器的可靠性。减小甚至去除DC-Link电解电容从而增强单相变换器可靠性的功率解耦技术已成为产业学界的研究热点。

本文通过数学模型描述二倍频脉动功率和无功功率的产生原理，分析基于电解电容的功率解耦原理，得到解耦电容与解耦能量的关系，分析无源功率解耦方式下DC-Link电解电容取值大的原因。接着研究基于差分电容波形控制的功率解耦技术，提出基于功率解耦模块的单相并网逆变器拓扑图。不仅会描述其工作模式，也要用数学模型推导出电压波形控制函数，阐述其控制方法，并要设计1kW单相并网逆变器核心部分的参数。与无源功率解耦方式相比，这种解耦方式充分利用交流电容的正负半周，提高变换器中元件的利用率，具有更好的经济效益。最后，基于之前的理论分析与设计，本文会在Simulink中搭建了实验系统平台并建立仿真，通过对比来分析无源功率解耦方式下的直流侧纹波电流的抑制效果与加入功率解耦模块之后直流侧纹波电流抑制效果。

关键词：DC-Link电解电容，功率解耦，二倍频脉动功率，单相并网逆变器

Abstract

In a single-phase inverter or rectifier, the AC side contains the instantaneous pulsating power of double power frequency, and the dual frequency pulsating power is transmitted to the DC side, forming a double power frequency ripple wave, which poses a huge threat to the safety, stability, and reliability of the single-phase converter.In order to protect the DC side from the influence of the pulsating power of the AC side,DC-Link electrolytic capacitor is used to realize power decoupling.Because the energy utilization rate of DC-Link capacitor is low, the required capacity is larger and ESR is large, which leads to high loss and temperature rise and low reliability when low frequency ripple current flows .Therefore, the use of DC-Link electrolytic capacitor limits the reliability of single-phase converter.Power decoupling technology that reduces or even removes DC-Link electrolytic capacitance to enhance the reliability of single-phase converters has become a research hotspot in industry circles.

This paper describes the generation principle of dual frequency pulsating power and reactive power through mathematical model, analyzes the power decoupling principle based on electrolytic capacitance, obtains the relationship between decoupling capacitance and decoupling energy, and analyzes the reasons for the large value of DC-Link electrolytic capacitance under passive power decoupling.Then the power decoupling technology based on differential capacitance waveform control is studied, and the topology diagram of the single-phase grid inverter based on power decoupling module is presented.It will not only describe its working mode, but also use the mathematical model to derive the voltage waveform control function, explain its control method, and design the parameters of the core part of the 1kW single-phase grid-connected inverter.Compared with the passive power decoupling method, this decoupling method makes full use of the positive and negative half weeks of AC capacitance, and improves the utilization rate of components in the converter, which has better economic benefits.Finally, based on the previous theoretical analysis and design, this paper will set up an experimental system platform and establish a simulation in Simulink. The effect of DC side ripple current suppression under passive power decoupling is analyzed and the effect of DC side ripple current suppression after adding power decoupling module is analyzed by comparison.

Key words:DC-Link electrolytic capacitor,power decoupling,two frequency doubling pulse power,single-phase grid connected inverter

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1国内外光伏发电现状 1

1.1.2光伏并网逆变技术概述 2

1.2光伏并网逆变器功率解耦问题概述 3

1.2.1功率解耦问题 3

1.2.2 DC-Link电解电容可靠性问题 4

1.3无电解电容功率解耦技术 4

1.4本课题的研究内容 5

第2章 单相逆变器脉动功率和无功功率的产生原理及功率解耦原理 6

2.1二倍频脉动功率的产生原理 6

2.2无功功率的产生原理 6

2.3基于电解电容的功率解耦原理 7

2.4本章小结 8

第3章 基于功率解耦模块的功率解耦技术研究 9

3.1一种基于差分电容波形控制方法的原理介绍 9

3.2功率解耦模块拓扑结构图 11

3.2.1功率解耦模块拓扑结构图介绍 11

3.2.2基于功率解耦模块的单相逆变器工作模式 14

3.2.3基于功率解耦模块的解耦控制原理 14

3.3逆变电路部分的器件参数设计 16

3.4本章小结 17

第4章 仿真与分析 19

4.1仿真软件介绍 19

4.2无源功率解耦方式与加入功率解耦模块方式下解耦性能对比 19

4.2.1无源功率解耦方式下的仿真与分析 19

4.2.2加入功率解耦模块方式下的仿真与分析 20

4.3本章小结 21

第5章 总结与展望 22

5.1工作总结 22

5.2工作展望 22

参考文献 23

附录A 25

附录B 26

附录C 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1国内外光伏发电现状

太阳能指太阳发射出的热能，是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变而释放出的核子能量产生的，是长时间内不会枯竭的可再生能源，并且普遍存在、开发利用干净安全、成本较低，通过开发应用太阳能能有效地解决化石能源缺乏、温室效应和环境污染等问题。因此太阳能是理想的替代能源，从可再生能源产业的发展趋势来看，太阳能光伏发电产业是发展最快的新兴产业之一。

近几年来，全球的太阳能光伏发电发展十分迅速。美国、日本、德国、英国和西班牙在光伏发电产业和太阳能电池产业发展迅速，在世界上保持着领先地位。太阳能光伏发电技术在不断进步，因此太阳能光伏发电产业已经成为现在发展最为迅速的科技产业之一。国际能源机构EA公布的资料显示了自1992年来，全球累计光伏发电总装机容量和年增长率，如表1.1所示^[1] 。

表1.1累计光伏发电总装机容量和年增长率

从1992到2010年，超过100个国家新增太阳能光伏发电，总发电量呈现爆发式增长，近20年间增长了约339倍，光伏发电已经是近20年世界上发展最快的发电技术。开发成本的下降、发电方式的新应用、丰厚的投资回报和持续强力的政策支持，都促进着光伏发电市场的发展。欧盟占全球新增装机容量的80%，约13.2GW，在光伏市场占据主要地位。举例来说，2010年，德国现有光伏发电总装机容量达17.3GW，意大利新增约2.3Gw的光伏并网发电量，由此欧洲首次实现光伏发电新增装机容量超过风力发电。西班牙2010年光伏发电新增装机容量略低，只有不到0.4GW，但总容量达38GW。除此之外，捷克、法国、比利时、希腊等国家都实现了光伏发电装机容量的大幅增长。在欧洲以外最大的光状发电市场在日本近（1GW)、美国（0.96GW）和中国（0.6GW）^[2]。

从20世纪70年代的起步到90年代的平稳发展期，我国的太阳能发电产业有一个较慢但很平稳的起步。进入21世纪后，我国太阳能光伏发电产业进入了高速发展期：在2002年，“光明工程”、“送电到乡工程”等项目逐步展开，目的在于加大开发和利用太阳能光伏发电。2004年，我国又设想建设阳光三峡，从2006年到2010年总共建立8座荒漠电站，总容量为80MW^[3]。我国政府现通过奖励性政策和财政措施来提供支持，从而扩大国内光伏市场，以此平衡光伏市场的需求和光伏产业的生产。在将来，沙漠电站和城市屋顶发电系统是主流的发展方向，这会引导我国光伏发电市场由独立发电系统转向共网发电系统。但总体而言，目前中国光伏逆变器市场规模较小，国内企业在大功率的逆变器转换效率、可靠性、工艺制造和智能化程度等方面与国外先进水平还有较大的差距^[4]。光伏发电市场机遇和挑战并存，中国光伏发电产业的发展任重而道远。

1.1.2光伏并网逆变技术概述

光伏发电系统是光伏电池、将太阳能转换为电能的电力电子器件、输电线路以及运行维护设备的总和。以是否并网为依据，可以将光伏发电系统划分为离网型和并网型两种。并网型光伏发电系统经过电网直接将获得的电能传递给负载，这是目前太阳能发电的主要应用方法。而离网型光伏发电系统不经过电网将获得的电能直接传递给负载，所以离网型经常以移动电源或者后备电源的形式存在，因此可以用于偏远地区。本文主要针对并网型光伏发电系统，而并网型系统通常由光伏电池板（PV）、逆变器和电网三部分构成，如图 1.1 所示^[5]。

图1.1 光伏并网发电系统

其中光伏电池板或 PV 板是由单个光伏电池以串联或并联的方式组合而成的。根据光伏电池板组成结构与连接方式的不同，并网型光伏发电系统可以分为集中式、模块式、串式、多支路式以及主从式五种。其中，集中式结构在大功率系统中广泛应用，模块式结构又分直流模块式和交流模块式，在小功率系统中有一定的市场，最近一段时间串式结构也呈现出不错的发展趋势。

光伏逆变器主要功能是将光伏电池板输出的直流电转换为符合电网要求的交流电，而且能保证光伏发电系统实现顺利并网，实现从太阳能到电能的转换。根据是否有变压器，光伏并网逆变器可分为隔离型和非隔离型，隔离型逆变器用变压器把输入与输出隔离,这样能够增加安全性，有效防止人接触电网,而且保证直流分量不会从逆变器流向电网，同时光伏侧输入电压的范围更大大,更容易控制。根据工作频率的不同，隔离型逆变器又分为工频隔离型逆变器和高频隔离型逆变器。工频隔离型逆变器体积大且质量重,而高频隔离型逆变器体积较小和质量也较轻。非隔离型逆变器省去了变压器环节,因此没有电能到磁能、磁能到电能的能量转换过程,从而减少了系统的能量损耗。两种逆变器相比较而言,非隔离型光伏并网逆变器的逆变效率更高,而且体积小、质量轻,因此成为今后主流的逆变器结构。逆变器的性能不仅影响和决定整个系统的稳定高效运行，而且在一定程度上进而决定了整个光伏发电系统的使用寿命与安全性能。因此，逆变器及其相关技术一直是目前产业学界研究的焦点。

最后是交流侧的并网方式,主要有两大类：一是利用隔离变压器来并网，二是直接并网。其中第一种方式又分为工频隔离式和高频隔离式。工频隔离式将逆变器输出端与电网进行电气隔离,这样能够提高逆变并网系统的安全性，同时也能隔离逆变器输出的直流分量，避免直流分量对电网的污染，但缺点是质量重、体积大。而高频隔离式有周波变换型并网方式和DC/DC变换型并网方式，缺点是开关损耗大，效率较低。第二种方式不采用变压器直接并网，简单经济，但逆变器存在漏电流的危险，而且其逆变器输出的直流分量容易进入电网，污染电网，因此需要添加保护措施。

1.2光伏并网逆变器功率解耦问题概述

1.2.1功率解耦问题

在单相逆变器或整流器中，交流侧含有二倍工频的瞬时脉动功率，二倍频脉动功率会传递到直流侧，在直流侧形成二倍频脉动电流，这会威胁单相逆变器运行的安全性与稳定性^[6]。比如在燃料电池逆变系统中，燃料电池的输出特性出现迟滞现象就是由直流侧谐波分量引起的，这对于燃料电池的安全稳定运行十分不利^[7]；直流电流中二倍频低频纹波电流分量还会导致燃料电池耗能过程中不完全的化学反应，因而会降低电池供电效率^[8,9]；燃料电池内部质子交换膜的碳化降解的加速也与二倍工频的低频纹波电流分量有关^[10]；在光伏逆变系统中，该二倍频纹波电流分量会导致光伏阵列输出能量波动，影响光伏逆变系统的最大功率点，从而会降低光伏逆变系统的效率^[11,12]。

因此，实现单相光伏并网逆变器系统的功率解耦能够实现抑制交流侧低频脉动功率辐射至直流侧产生的谐波，提高系统的可靠性，对于社会进步与经济发展也具有重大意义。

1.2.2 DC-Link电解电容可靠性问题

为了保护直流侧不受到交流侧脉动功率的影响，一般会使用电解电容实现功率解耦。电解电容因为其容量大与低成本优势广泛应用在缓冲单相变换器交直流瞬时功率的不平衡，但同时也给电解电容引入了谐波电流，又由于电解电容能量利用率低，所需要容值较大，并且ESR大，导致流过低频纹波电流时，损耗和温升大，可靠性低，因此使用电解电容限制了单相变换器的可靠性^[13]。同时，电力变换器在新能源领域中应用环境越来越复杂和恶劣，由于电解电容的故障导致的系统的停运，会给国民生活和经济带来巨大的损失。

因此，减小甚至去除单相变换器中的DC-Link电解电容从提高单相变换器寿命的功率解耦技术已成为产业学界的研究热点。通过抑制交流侧低频脉动功率辐射至直流侧产生的谐波，从而减小甚至去除电解电容，这能够延长系统使用寿命，维护设备的稳定可靠运行，这对于行业发展与国民经济生活具有重大的意义。

1.3无电解电容功率解耦技术

针对单相逆变器通过功率解耦达到减小或去除电解电容，提高单相逆变器可靠性与寿命的方法，可以归纳为DC-Link 电容中脉动功率与无功功率的消弱、转移和就地补偿。

如图1.2所示，若通过路径1直接在交流侧注入三次、五次谐波并且加以特定的控制策略^[14，15]，以此减少交流侧脉动功率，直流侧电解电容的大小在一定条件下取决于脉动功率的大小，因此便能显著减小DC-Link电解电容容量，缺点是会降低系统功率因数，并且仅适用于抑制二倍频脉动功率。

若通过路径2，则是将直流侧的脉动功率转移到额外添加的储能元件，通过控制有源滤波装置内部开关器件来把低频脉动功率转移至额外添加的储能元件^[16,17]，消除对直流侧的干扰，此时系统可以减少并联大容量电解电容，缺点是增加额外的元件，因此会提高成本，增加损耗从而会降低系统功率密度，同时还要在交流侧并联、串联或混合型有源滤波装置来补偿无功功率^[18]，同样需要添加储能元件。

若通过路径3，采用有源控制方法在交流侧直接就地补偿脉动功率和无功功率^[19,20]，不再辐射到系统直流侧，可以适当减小DC-Link电解电容的容量，缺陷在于DC-Link电解电容电压波动大，造成逆变器动态特性差等问题。

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