单相电力电子变换器的二次谐波电流抑制技术

两级式单相变换器，包括两级式单相DC-AC逆变器和两级式单相功率因数校正变换器，是交流电和直流电之间的电能变换接口，已广泛应用于各种交直流变换场合。在两级式单相变换器中，交流端口的瞬时功率以两倍交流电压频率脉动，导致中间直流母线端口产生两倍交流电压频率的脉动电流，此即二次谐波电流。本书阐明了两级式单相变换器中二次谐波电流的产生机理、传播特性及其危害，并针对不同工作模式和不同电路拓扑的DC-DC变换器，提出了二次谐波电流抑制方法。在此基础上，加入二次谐波电流补偿器来补偿二次谐波电流，以大幅减小中间母线电容容量，去除寿命较短的电解电容，从而延长系统寿命并提高可靠性。本书介绍了二次谐波电流补偿器的控制策略，揭示了加入二次谐波电流补偿器后两级式单相变换器的系统稳定性特点，并提出了稳定性改善方法。

两级式单相变换器，包括两级式单相DC-AC逆变器和两级式单相功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)变换器，是交流电和直流电之间的电能变换接口，已广泛应用于不间断交流电源、通信用整流器和逆变器、服务器电源、车载充电器、LED照明电源、可再生能源发电系统等各种交直流变换场合。在两级式单相变换器中，交流端口的瞬时功率以两倍交流电压频率脉动，导致中间直流母线端口产生两倍交流电压频率的脉动电流，此即二次谐波电流。二次谐波将会传播到DC-DC变换器中，并进一步传播到直流源或直流负载中。为了提高两级式单相变换器的变换效率，提高光伏电池和燃料电池等的能量转换效率，并延长其使用寿命，需要有效抑制二次谐波电流的传播。2010年，我们在研制某型机载二次电源时，注意到两级式单相DC-AC逆变器中的二次谐波电流问题，并开始开展二次谐波电流抑制技术的研究。2015年，该研究得到国家杰出青年科学基金的资助，让我们得以从更宽的视角和更深的层面来开展研究工作，研究的对象也从两级式单相DC-AC逆变器拓展到两级式单相PFC变换器，从单一工作模式拓展到不同工作模式，从单纯的二次谐波电流抑制拓展到无电解电容二次谐波电流补偿器(Second Harmonic Current Compensator，SHCC)。我们团队通过十多年坚持不懈的研究，在单相电力电子变换器的二次谐波电流抑制技术方面已取得较为系统和深入的研究成果，在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Power Electronics等本领域国际权威期刊上发表了一系列论文，并且在多个领域得到成功应用。为了全面系统阐述所取得的研究成果，我们决定将它们整理成书。

本书共13章。第1章是绪论，阐述两级式单相变换器中二次谐波电流的产生机理和传播特性，介绍二次谐波电流对DC-DC变换器、直流源或直流负载带来的负面影响，并对已有二次谐波电流抑制方法进行回顾和总结。第2章作为全书的理论基础，系统阐述不同工作模式的两级式单相变换器中二次谐波电流抑制的基本思路。针对航空航天、电动汽车等工况恶劣的应用场合，采用无电解电容SHCC，不仅可以有效抑制二次谐波电流，而且去除了两级式单相变换器中的电解电容，提高了系统可靠性。第3~8章阐述两级式单相变换器中二次谐波电流抑制的控制策略。其中，第3~5章针对前级DC-DC变换器控制中间母线电压的两级式单相DC-AC逆变器，分别讨论前级DC-DC变换器为Buck类、Boost类和基于DCX-LLC谐振变换器的DC-DC变换器的二次谐波电流抑制方法；第6章针对两级式单相光伏并网逆变器，讨论前级DC-DC变换器实现最大功率点跟踪时的二次谐波电流抑制方法；第7章针对两级式单相PFC变换器，讨论不同工作模式的二次谐波电流抑制方法；第8章讨论单相AC-DC-AC变换器系统中二次谐波电流的抑制方法。当两级式单相变换器中DC-DC变换器的二次谐波电流得到有效抑制后，二次谐波电流将主要由中间母线电容提供，其容量较大，一般采用电解电容。为了去除电解电容，需要大幅减小中间母线电容容量，为此可以采用无电解电容SHCC来补偿二次谐波电流。第9~12章讨论无电解电容SHCC的控制策略。其中，第9章介绍SHCC的电压电流双闭环控制策略，并引入电流基准前馈方法以提高SHCC端口电流的补偿能力；第10章阐述SHCC的单周期控制策略，实现了SHCC的稳定工作并准确补偿二次谐波电流；第11章阐述基于虚拟并联阻抗的控制方法，不仅有效补偿二次谐波电流，而且不需要二次谐波电流基准，由此去除了嵌入DC-AC逆变器或PFC变换器中的电流采样电路，实现了SHCC的完全模块化；第12章介绍SHCC的储能电容电压自适应控制，有效减小了SHCC的轻载损耗。加入SHCC后，两级式单相变换器成为一个多变换器系统，第13章揭示了该系统在不同工作模式的稳定性特点，并提出了稳定性解决方案。

本书是基于我们团队的研究成果整理而成的，其中张力博士、黄新泽博士、刘飞博士生、祝国平硕士和阚世奇博士生对本书内容作出了重要贡献，因此他(她)们都是本书的合作作者。已毕业的硕士生顾琳琳、王蓓蓓、王舒、杨洋和何婕秀对研究工作也有贡献，在此表示衷心的感谢。本书研究工作得到了国家杰出青年科学基金项目(批准号51525701)的资助，衷心感谢国家自然科学基金委员会给予的信任和支持！本书的出版得到了机械工业出版社的大力支持，责任编辑罗莉女士为本书的出版做了大量工作，特此致谢！

阮新波2021年10月于南京航空航天大学

序言

1974年美国学者W.Newell提出了电力电子技术学科的定义，电力电子技术是由电气工程、电子科学与技术和控制理论三个学科交叉而形成的。电力电子技术是依靠电力半导体器件实现电能的高效率利用，以及对电机运动进行控制的一门学科。电力电子技术是现代社会的支撑科学技术，几乎应用于科技、生产、生活各个领域：电气化、汽车、飞机、自来水供水系统、电子技术、无线电与电视、农业机械化、计算机、电话、空调与制冷、高速公路、航天、互联网、成像技术、家电、保健科技、石化、激光与光纤、核能利用、新材料制造等。电力电子技术在推动科学技术和经济的发展中发挥着越来越重要的作用。

进入21世纪，电力电子技术在节能减排方面发挥着重要的作用，它在新能源和智能电网、直流输电、电动汽车、高速铁路中发挥核心的作用。电力电子技术的应用从用电，已扩展至发电、输电、配电等领域。电力电子技术诞生近半个世纪以来，也给人们的生活带来了巨大的影响。目前，电力电子技术仍以迅猛的速度发展着，电力半导体器件性能不断提高，并出现了碳化硅、氮化镓等宽禁带电力半导体器件，新的技术和应用不断涌现，其应用范围也在不断扩展。不论在全世界还是在我国，电力电子技术都已造就了一个很大的产业群。与之相应，从事电力电子技术领域的工程技术和科研人员的数量与日俱增。因此，组织出版有关电力电子新技术及其应用的系列图书，以供广大从事电力电子技术的工程师和高等学校教师和研究生在工程实践中使用和参考，促进电力电子技术及应用知识的普及。在20世纪80年代，电力电子学会曾和机械工业出版社合作，出版过一套“电力电子技术丛书”，那套丛书对推动电力电子技术的发展起过积极的作用。

最近，电力电子学会经过认真考虑，认为有必要以“电力电子新技术系列图书”的名义出版一系列著作。为此，成立了专门的编辑委员会，负责确定书目、组稿和审稿，向机械工业出版社推荐，仍由机械工业出版社出版。本系列图书有如下特色：本系列图书属专题论著性质，选题新颖，力求反映电力电子技术的新成就和新经验，以适应我国经济迅速发展的需要。理论联系实际，以应用技术为主。本系列图书组稿和评审过程严格，作者都是在电力电子技术第一线工作的专家，且有丰富的写作经验。内容力求深入浅出，条理清晰，语言通俗，文笔流畅，便于阅读学习。本系列图书编委会中，既有一大批国内资深的电力电子专家，也有不少已崭露头角的青年学者，其组成人员在国内具有较强的代表性。希望广大读者对本系列图书的编辑、出版和发行给予支持和帮助，并欢迎对其中的问题和错误给予批评指正。电力电子新技术系列图书编辑委员会

电力电子新技术系列图书序言

前言

第1章绪论1

1.1两级式单相变换器的应用1

1.1.1单相变换器的应用1

1.1.2单相变换器的结构4

1.2二次谐波电流的产生和传播5

1.3二次谐波电流的危害6

1.4二次谐波电流抑制方法7

1.4.1基于无源元件的二次谐波电流抑制方法7

1.4.2基于DC-DC变换器控制的二次谐波电流抑制方法8

1.4.3基于功率解耦的二次谐波电流抑制方法13

1.5二次谐波电流补偿器16

1.5.1二次谐波电流补偿器的控制策略16

1.5.2加入二次谐波电流补偿器的两级式单相变换器系统的稳定性18

1.6本章小结20

参考文献20

第2章两级式单相变换器中二次谐波电流抑制的基本思路26

2.1两级式单相变换器中DC-DC变换器的分类26

2.2两级式单相变换器中DC-DC变换器的交流小信号模型27

2.3两级式单相变换器中DC-DC变换器的母线端口阻抗特性29

2.3.1两级式单相DC-AC逆变器中BVCC的母线端口阻抗推导30

2.3.2两级式单相DC-AC逆变器中BCCC的母线端口阻抗推导30

2.3.3两级式单相PFC变换器中BCCC的母线端口阻抗推导32

2.3.4两级式单相PFC变换器中BVCC的母线端口阻抗推导33

2.3.5BVCC和BCCC的母线端口阻抗特性讨论34

2.4二次谐波电流抑制的基本方法35

2.4.1BVCC的二次谐波电流抑制方法35

2.4.2BCCC的二次谐波电流抑制方法36

2.4.3基于二次谐波电流补偿器的二次谐波电流抑制方法36

2.5本章小结39

参考文献39

第3章两级式单相DC-AC逆变器中前级为Buck类BVCC的

二次谐波电流抑制方法41

3.1二次谐波电流的传播机理41

3.2Buck类BVCC的二次谐波电流抑制方法42

3.2.1虚拟串联阻抗和虚拟并联阻抗的引入42

3.2.2Buck变换器中虚拟串联阻抗和虚拟并联阻抗的选取43

3.3Buck类BVCC的二次谐波电流抑制控制策略推导47

3.3.1加带通滤波器电感电流反馈的二次谐波电流抑制控制策略47

3.3.2基于虚拟电阻的二次谐波电流抑制控制策略48

3.3.3带阻滤波器级联电压调节器的二次谐波电流抑制控制策略48

3.3.4加带通滤波器电容电压反馈的二次谐波电流抑制控制策略48

3.3.5加带阻滤波器负载电流前馈的二次谐波电流抑制控制策略49

3.3.6加入负载电流前馈并复用带阻滤波器的二次谐波电流抑制控制策略49

3.3.7不同二次谐波电流抑制控制策略的比较51

3.4兼顾二次谐波电流抑制和稳定裕度的闭环参数设计52

3.4.1采用VRS时的闭环参数设计53

3.4.2采用BPF-ICFS时的闭环参数设计57

3.4.3采用NF-VL+LCFFS时的闭环参数设计58

3.5采用不同控制策略时Buck类BVCC母线端口阻抗的对比60

3.6实验验证61

3.7本章小结65

参考文献66

第4章两级式单相DC-AC逆变器中前级为Boost类BVCC的二

次谐波电流抑制方法68

4.1二次谐波电流在Boost类BVCC和直流输入源中的传播机理68

4.2Boost类BVCC的二次谐波电流抑制方法69

4.2.1虚拟串联阻抗和虚拟并联阻抗的引入69

4.2.2Boost变换器中虚拟串联阻抗和虚拟并联阻抗的选取71

4.3Boost类BVCC的二次谐波电流抑制控制策略推导75

4.3.1加带通滤波器的二极管(电感)电流反馈的二次谐波电流抑制控制策略75

4.3.2基于虚拟电阻的二次谐波电流抑制控制策略75

4.3.3加带阻滤波器负载电流前馈的二次谐波电流抑制控制策略76

4.3.4带阻滤波器级联电压调节器并加入负载电流前馈的二次谐波电流抑制

控制策略77

4.3.5不同二次谐波电流抑制方法的比较77

4.4兼顾二次谐波电流抑制和稳定裕度的闭环参数设计80

4.4.1采用VRS时的闭环参数设计80

4.4.2采用BPF-ICFS时的闭环参数设计84

4.4.3采用NF-VR+LCFFS时的闭环参数设计86

4.5采用不同控制策略时Boost类BVCC母线端口阻抗的对比87

4.6实验验证89

4.7本章小结93

参考文献93

第5章基于DCX-LLC谐振变换器的两级式DC-AC逆变器中

二次谐波电流抑制方法95

5.1二次谐波电流的传播机理95

5.2预调节器+LLC变换器的小信号模型96

5.2.1LLC谐振变换器的小信号模型96

5.2.2DCX-LLC谐振变换器小信号模型的近似简化98

5.2.3预调节器+LLC变换器的小信号模型99

5.3抑制二次谐波电流的基本思路100

5.3.1Cb1和Cb2的设计100

5.3.2抑制二次谐波电流的基本思路101

5.4抑制前级预调节器+LLC变换器中二次谐波电流的控制策略102

5.4.1在电压环中加入带阻滤波器102

5.4.2在整流桥支路引入虚拟串联阻抗102

5.4.3同时加入带阻滤波器并引入虚拟串联阻抗104

5.5实验验证104

5.5.1两级式DC-AC逆变器的实现104

5.5.2虚拟串联阻抗的设计105

5.5.3不同控制策略下前级变换器的输出阻抗对比106

5.5.4实验结果106

5.6本章小结110

参考文献110

第6章两级式逆变器中前级为BCCC的二次谐波电流抑制方法112

6.1前级Boost变换器的小信号模型112

6.2二次谐波电流抑制方法114

6.2.1前级Boost变换器中二次谐波电流抑制方法114

6.2.2光伏电池中二次谐波电流的抑制方法116

6.3抑制二次谐波电流的控制方法117

6.3.1谐振峰的阻尼117

6.3.2电感电流反馈系数与电压调节器的设计方法120

6.3.3基于PIR调节器的抑制二次谐波电流的控制方法122

6.4设计实例122

6.4.1系统闭环参数设计123

6.4.2谐振调节器设计124

6.5实验验证125

6.6本章小结127

参考文献128

第7章两级式单相PFC变换器中DC-DC变换器的二次谐波

电流抑制方法130

7.1二次谐波电流的传播机理130

7.2后级DC-DC变换器中的二次谐波电流抑制方法131

7.2.1后级DC-DC变换器为BCCC131

7.2.2后级DC-DC变换器为BVCC132

7.3后级DC-DC变换器中的二次谐波电流的抑制方法137

7.3.1基于带通滤波器的输入电流或输出电流反馈的二次谐波电流抑制方法137

7.3.2基于带阻滤波器输入电流前馈的二次谐波电流抑制方法137

7.3.3带阻滤波器级联电压调节器并加入输入电流前馈的二次谐波电流抑制

方法140

7.3.4不同二次谐波电流抑制控制策略的比较140

7.4后级DC-DC变换器的闭环参数设计方法141

7.4.1中间母线电压环环路增益的推导142

7.4.2NF-ICFFS的闭环参数的设计方法143

7.4.3BPF-OCFS的闭环参数的设计方法146

7.4.4NF-VR+ICFFS的闭环参数的设计方法147

7.5实验验证148

7.5.1移相控制全桥变换器为BCCC148

7.5.2移相控制全桥变换器为BVCC149

7.6本章小结152

参考文献153

第8章AC-DC-AC变换器系统中DC-DC变换器的二次谐波

电流抑制方法154

8.1AC-DC-AC变换器系统中二次谐波电流的产生和传播机理154

8.1.1二次谐波电流的产生154

8.1.2二次谐波电流的传播机理155

8.2抑制二次谐波电流的基本思路156

8.2.1DC-DC变换器控制Vbus2时二次谐波电流的抑制思路157

8.2.2DC-DC变换器控制Vbus1时二次谐波电流的抑制思路159

8.3抑制二次谐波电流的控制策略159

8.3.1基于虚拟串联阻抗的二次谐波电流抑制控制策略159

8.3.2加入虚拟串联阻抗后的参数设计准则162

8.4实验结果164

8.4.1AC-DC-AC变换器系统的实现164

8.4.2虚拟串联阻抗的参数设计166

8.4.3实验结果167

8.5本章小结169

参考文献169

第9章二次谐波电流补偿器的电流基准前馈控制171

9.1无电解电容SHCC的工作原理171

9.2SHCC的电压电流双闭环控制173

9.3SHCC的电流基准前馈控制175

9.4SHCC的简化电流基准前馈控制177

9.5实验验证179

9.6本章小结185

参考文献185

第10章二次谐波电流补偿器的单周期控制186

10.1无电解电容SHCC的基本电路拓扑186

10.2SHCC的单周期控制策略187

10.2.1单周期控制的基本原理187

10.2.2混合型单周期控制策略192

10.2.3加直流电流偏置的单周期控制策略194

10.3实验验证198

10.4加直流电流偏置的单周期控制策略在其他SHCC中的推广202

10.5本章小结202

参考文献203

第11章基于虚拟并联阻抗的二次谐波电流补偿器的控制策略204

11.1基于虚拟并联阻抗的二次谐波电流补偿方法204

11.1.1基本控制方法的提出204

11.1.2SHCC原始端口阻抗特性205

11.1.3虚拟并联阻抗的引入和实现207

11.2虚拟并联阻抗的选取208

11.3虚拟并联阻抗的设计210

11.3.1PFC变换器和移相控制全桥变换器的母线端口阻抗特性210

11.3.2Cp的设计211

11.3.3rp和rd的设计212

11.4SHCC闭环参数设计214

11.5实验验证216

11.6本章小结221

参考文献221

第12章减小SHCC损耗的储能电容电压自适应控制223

12.1无电解电容SHCC中的重要数量关系223

12.2储能电容电压的自适应控制225

12.2.1Buck型SHCC中储能电容电压的最大值控制225

12.2.2Boost型SHCC中储能电容电压的最小值控制226

12.3实验验证227

12.3.1Buck型SHCC的储能电容电压最大值控制227

12.3.2Boost型SHCC的储能电容电压最小值控制229

12.4本章小结230

参考文献231

第13章带二次谐波电流补偿器的两级式单相变换器系统的稳定性分析232

13.1两级式单相变换器系统的分类232

13.2SHCC的控制方法和母线端口阻抗特性234

13.2.1SHCC的控制方法234

13.2.2SHCC的母线端口阻抗特性235

13.3带SHCC的两级式单相变换器系统的稳定性分析237

13.4基于虚拟并联阻抗的稳定性改善方法241

13.5实验验证242

13.5.1前级Boost PFC变换器工作在BVCC244

13.5.2前级Boost PFC变换器为BCCC246

13.6本章小结249

参考文献249