摘 要

随着科技水平进步与社会不断地发展，电力电子技术的应用范围也变得更加广泛。而作为重要的电路元件的电容器，起着举足轻重的作用。在单相变换器中常在其直流侧并联大容值的电解电容，起到缓冲瞬时功率、滤除谐波的作用。但由于无源电容的主要性能取决于介电材料和制造工艺影响，使得无源电容在可靠性和功率密度等方面都面临着巨大的挑战。因此二端口有源电容受到了国内外学者的广泛研究。目前，针对有源电容的传统控制方法的主要研究方向在于降低纹波率、减小器件电压电流应力，而很少关注有源电容的等效容值。基于这一问题，本文将针对二端口有源电容的控制方法进行研究，并设计出了一种基于直接等效容值控制方法的二端口有源电容，具有很重要的理论研究意义与实用价值。

首先，本文介绍了二端口有源电容的三种启动状态、自供电电路与拓扑结构，分析了电路中元件的参数选择过程，对比了有源电容的传统控制方法与直接容值控制方法的原理，并进行了控制参数设计。

然后，分析了1kW单相逆变器的拓扑结构并推导出单相电压型逆变器的数学模型，对逆变器的双环控制方法进行分析并构建等效框图，分析了不同控制器的特点及控制效果，并对控制器进行参数设计。

最后，在PLECS软件中对基于单相逆变器的有源电容进行仿真分析，分别与无源电容和传统控制二端口有源电容进行不同稳态仿真对比，最后计算了电路工作时的功率损耗，结果证明了直接容值控制方法的有效性与可行性。

关键词 ：二端口有源电容；直接容值控制；电压型逆变器

Abstract

With the progress of science and technology and the continuous development of society, the application range of power electronics technology has become more extensive.As an important circuit component, the capacitor plays a decisive role.In single-phase converter, the electrolytic capacitor which is usually on the dc side with a large capacitance plays the role of buffering instantaneous power and filtering harmonics.However, as the main performance of passive capacitance depends on the influence of dielectric material and manufacturing process, the passive capacitance is faced with great challenges in terms of reliability and power density.Therefore, active capacitance of two ports has been widely studied by scholars at home and abroad.At present, the main research direction of the traditional control method for active capacitance is to reduce the ripple rate and the voltage and current stress of the device, but little attention is paid to the equivalent capacitance of active capacitance.Based on this problem, this paper studies the control method of two-port active capacitance, and designs a two-port active capacitance based on the direct equivalent capacitance control method, which has very important theoretical significance and practical value.

Firstly, this paper introduces three starting states, self-supply circuit and topological structure of two-port active capacitance, analyzes the parameter selection process of components in the circuit, compares the principle of the traditional control method of active capacitance with the direct capacitance value control method, and designs the control parameters.

Then, the topology structure of 1kW single-phase inverter is analyzed and the mathematical model of single-phase voltage inverter is derived. The double-loop control method of the inverter is analyzed and the equivalent block diagram is constructed. The characteristics and control effects of different controllers are analyzed and the parameters of the controller are designed.

Finally, the active capacitance based on single-phase inverter is simulated and analyzed in PLECS software, and compared with passive capacitance and conventional control two-port active capacitance in different steady-state simulation. Finally, the power loss during circuit operation is calculated, and the results prove the effectiveness and feasibility of the direct capacitance value control method.

Keywords: two-port active capacitance;Direct capacitance control;Voltage inverter

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1电容器的作用 1

1.2 单相变换器的发展概述 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 研究内容 3

第2章 二端口有源电容 5

2.1有源电容器的启动解决方案研究 5

2.1.1采用常规方案的启动过程分析 5

2.1.2建议的启动解决方案 8

2.2二端口有源电容的拓扑结构 9

2.3二端口有源电容的控制方法 11

2.3.1传统控制方法 11

2.3.2等效容值控制策略 14

2.3.3阻抗建模 14

2.3.4控制参数 15

2.4本章小结 16

第3章 单相逆变器的研究 18

3.1研究内容 18

3.2控制原理 19

3.3 控制器参数设计 21

3.4本章小结 22

第4章 基于逆变器的有源电容的仿真 23

4.1与无源电容的仿真对比 24

4.2 与传统控制策略的仿真对比 27

4.3 功率损耗的对比 27

4.3.1电容功率损耗计算 27

4.3.2 MOSFET功率损耗计算 28

4.3.3 电感功率损耗计算 29

4.3.4总损耗 30

4.4本章小结 30

第5章 结论 31

5.1总结 31

5.2展望 31

参考文献 32

附录 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1电容器的作用

电力电子的应用需要消耗大量的电容器来进行谐波滤波、功率平衡和短期储能。在单相电压源整流器或逆变器系统中，电容性直流链路需要过滤低频电流分量，同时将电压变化限制在特定范围内。在三相系统中，线路电压和负载中可能出现的不平衡会在直流链路中引入低频谐波。因此，在大多数单相和三相应用中，电容性直流链路需要一个庞大的电容器组。此外，在兆瓦级大功率逆变器应用中，交流滤波器还需要大容量的电容器组。电解电容器、薄膜电容器和陶瓷电容器已经被应用于一个或多个这样的应用中，考虑到它们各自的电特性，成本，体积效率和可靠性性能，电解电容器，薄膜电容器和陶瓷电容器已经用于这些应用中的一种或多种。电容器技术的进步已将高性能产品推向市场，例如高密度，长寿命，低等效串联电阻（ESR）或高温系列。然而，电容器仍然是电力电子系统中故障率最高的组件之一，即使采用最新的电容器技术，在成本和功率密度方面的设计约束也会受到电气和可靠性性能的影响，这仍然是一个巨大的挑战。

电容广泛的应用于电力电子变换器中，主要作为平衡功率、抑制纹波电压和存储短期能量的元件。常用的电容有电解电容、薄膜电容和陶瓷电容。大容量的电解电容常被连接在变换器的直流母线上，用于吸收直流母线上的纹波电压和纹波电流，但电解液的挥发会带来严重的可靠性问题。若直接采用薄膜电容或陶瓷电容替代电解电容又会显著增加体积和成本。为了克服无源电容在成本和可靠性上的局限性，提出了用二端口有源电容代替可靠性差的大容量储能电容的策略。