單相逆變器低頻脈動電流抑制機理分析與方法綜述

汪 飛，雷志方，梁 東，張 巍，阮 毅

（上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072）

0 引言

由于環(huán)境污染加劇和能源日益緊缺，可再生能源（如風(fēng)、太陽、水等）被逐步用來可靠替代傳統(tǒng)能源（如石油、天然氣、煤等）。分布式發(fā)電系統(tǒng)作為一種高效利用可再生能源的發(fā)電形式，在全球范圍內(nèi)得到廣泛發(fā)展，其中逆變器是其核心部件［1］。單相逆變器廣泛應(yīng)用于小功率（＜10 kW）的分布式發(fā)電系統(tǒng)、航空直流電源系統(tǒng)和不間斷供電電源系統(tǒng)等場 合［2］。

在燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)燃料電池輸出電流存在頻率小于1 kHz、峰峰值為2倍于輸出電流平均值的低頻脈動分量時，電池輸出功率減少幅度高達(dá)10%［3］。因此，低頻脈動電流會嚴(yán)重影響燃料電池的最大功率輸出。此外，低頻脈動電流會導(dǎo)致燃料電池過熱，增加額外的損耗，縮短使用壽命，使系統(tǒng)效率降低，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定［3-7］。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏電池輸出電流中的低頻脈動分量使其在最大功率點處出現(xiàn)功率振蕩，影響最大功率點跟蹤，降低了系統(tǒng)效率［8-10］。對于兩級式逆變系統(tǒng)，低頻紋波會導(dǎo)致電流有效值增大，開關(guān)管電流應(yīng)力和通態(tài)損耗增加，降低了前級 DC/DC 變換器效率［11］。

綜上可知，由單相逆變系統(tǒng)交流側(cè)所產(chǎn)生的低頻脈動功率，會引起逆變器輸入電流的低頻脈動，進而影響燃料電池系統(tǒng)或光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能。因此，如何抑制單相逆變器低頻脈動電流成為了研究熱點，學(xué)者們也提出了不同的抑制方法。本文將現(xiàn)有的低頻脈動電流抑制方法歸結(jié)分類，對抑制機理進行了分析和比較，對研究方向進行了討論，為后續(xù)的相關(guān)研究提供參考。

1 低頻脈動電流抑制機理分析

為了闡明單相逆變系統(tǒng)低頻脈動電流產(chǎn)生的機理，本文將以兩級式單相逆變器為例進行分析，其分析思路和方法同樣適用于單級式逆變器。兩級式單相逆變器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由前級DC/DC變換器和后級DC/AC逆變器組成。其中，前級DC/DC變換器主要起電壓匹配作用，后級DC/AC逆變器則是將直流電轉(zhuǎn)換成用戶所需的交流電。

圖1 兩級式單相逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of two-stage single-phase inverter system

在傳統(tǒng)的兩級式單相逆變器中，直流母線電壓紋波較小，可假設(shè)母線電容電壓為恒定值UC。根據(jù)逆變器瞬時輸入功率等于輸出功率，逆變器輸入電流可表示為：

其中，Po（t）為逆變器輸出瞬時功率；Uo為輸出交流電壓幅值；Io為輸出交流電流幅值；ω為輸出交流電壓角頻率，ω=2πfo，fo為輸出交流電壓頻率；φ為輸出功率因數(shù)角；iinv為逆變器輸入電流。

由式（1）可知，單相逆變器的瞬時輸出功率以2fo頻率脈動。逆變器的輸入電流除了直流分量Idc外，還包含一個以2fo頻率脈動的低頻脈動分量i2nd，即二次紋波電流。該低頻脈動分量幅值可達(dá)到逆變器輸入電流平均值的30%以上，嚴(yán)重時將會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性［12］。

由圖1可知，逆變器輸入電流iinv由iC和iL組成，從而可以得出逆變器輸入電流的脈動分量由直流母線電容電流和DC/DC變換器輸出電流中的脈動分量組成。然而，傳統(tǒng)模式下母線電壓紋波很小，由式（2）可知，在母線電容值較小的情況下，母線電容支路的低頻脈動電流分量幾乎為零。則逆變器輸入側(cè)的低頻脈動電流主要由DC/DC變換器輸出電流提供，并通過DC/DC變換器引入到輸入源，繼而對系統(tǒng)性能造成影響。

若選擇增大母線電容來減小低頻脈動電流對輸入源的影響，往往需要很大的電容，從而增加系統(tǒng)體積。由于在兩級式單相逆變系統(tǒng)中，低頻脈動電流可能存在于母線電容電流iC、DC/DC變換器輸入電流iin、DC/DC變換器輸出電流iL和逆變器輸入電流iinv。為此，可將這些電流作為研究對象，對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，分析低頻脈動電流的抑制機理。

根據(jù)研究對象的不同，如圖2所示，將現(xiàn)有的低頻脈動電流抑制方法分成如下4類進行闡述：①基于直流母線電容支路的抑制方法；②基于直流電源輸入端的抑制方法；③基于前級DC/DC變換器的抑制方法；④基于后級逆變器的二次紋波抑制方法。下文將從以上4個方面進行闡述和分析。

圖2 兩級式單相逆變系統(tǒng)Fig.2 Two-stage single-phase inverter system

2 基于直流母線電容支路的抑制方法

基于直流母線電容支路抑制方法的基本思想：使電容支路提供更多的低頻脈動電流分量，以減少輸入源的低頻脈動電流。根據(jù)分析方法的不同，又可分為無源抑制方法和有源抑制方法。

2.1 無源抑制方法

為了更好地闡述無源抑制方法的根本原理，將DC/DC變換器等效為串聯(lián)開路電壓Uoc及輸出阻抗Zo，如圖3所示，圖中ZC為電容支路阻抗。

圖3 兩級式單相逆變器等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of two-stage single-phase inverter system

由圖3可知，無源抑制方法的本質(zhì)是在DC/DC變換器等效輸出阻抗不變的情況下，通過減少直流母線電容支路在2fo頻率處的阻抗，使更多的低頻脈動電流經(jīng)過直流母線電容支路，從而避免低頻脈動電流對前級DC/DC變換器和直流電源的影響。

在傳統(tǒng)的兩級式單相逆變系統(tǒng)中，通過增加直流母線電容來抑制低頻脈動電流。這種方法實質(zhì)上是減少直流母線電容支路阻抗，使大部分低頻脈動電流經(jīng)過直流母線支路。但直流母線電容值的增大往往需要使用電解電容，電解電容壽命短、體積大，會降低系統(tǒng)功率密度。然而，這并不能完全消除前級DC/DC變換器和輸入源中的低頻脈動電流［13］。

為此，文獻［14-15］利用LC電路的串聯(lián)諧振特性，用諧振頻率為2fo的LC串聯(lián)諧振電路代替母線電容（圖2中①處），使低頻脈動電流全部經(jīng)過母線電容支路。

上述方法不需要增加額外的控制電路，具有簡單實用、成本低的優(yōu)點，但需要較大的電感和電容，這導(dǎo)致系統(tǒng)體積增大且不易安裝。此外，在并網(wǎng)型逆變系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓頻率可能存在波動，這會導(dǎo)致低頻脈動電流頻率的變化，進而會使具有固定諧振頻率的LC諧振電路的抑制效果變差。

該方法只能抑制固定頻率的低頻脈動電流，無法對逆變器輸出電壓頻率的波動做出應(yīng)變，且需要較大的電感、電容元件。

2.2 有源抑制方法

有源抑制方法是在無源抑制方法的基礎(chǔ)上加入功率開關(guān)管，從而構(gòu)成補償電路。通過控制補償電路中功率開關(guān)管的通斷，使其產(chǎn)生一個與低頻脈動電流幅值相同、相位相差180°的補償電流，以實現(xiàn)對輸入源的零紋波電流注入，也稱為低頻脈動電流補償法。由于補償電流可以通過補償電路中功率開關(guān)管的通斷進行實時控制，從而避免逆變器輸出電壓頻率波動對低頻脈動電流補償?shù)挠绊?，因此抑制效果更好?/p>

文獻［16-17］將電流型有源電力濾波器（APF）作為補償電路，代替母線電解電容向直流母線注入低頻脈動電流，以抵消逆變器產(chǎn)生的諧波，從而實現(xiàn)零紋波電流注入。該類補償電路的主要特點是無電解電容，不存在電解電容使用壽命短的問題。但直流側(cè)需要較大的電感，使系統(tǒng)體積增加，不易安裝。此外，感性元件損耗大、功率密度低的缺點并不符合逆變器的發(fā)展趨勢。

為了提高系統(tǒng)密度，文獻［18］提出如圖4（a）所示的電壓型補償電路，將電感元件換成電容元件；為了減少功率開關(guān)管數(shù)目，降低系統(tǒng)成本，文獻［19-21］提出如圖4（b）和圖4（c）所示的補償電路。圖4（a）所示的電壓型補償電路與后兩者相比可用于母線電壓等級更高、功率更大的場合。上述補償電路都存在儲能元件短路的風(fēng)險，為了提高系統(tǒng)可靠性，文獻［22］提出如圖4（d）所示的補償電路。

圖4 帶低頻脈動電流補償電路的單相逆變系統(tǒng)示例Fig.4 Examples of single-phase inverter system with low-frequency ripple current compensation circuit

由于系統(tǒng)存在的損耗和補償電流的變化，直流母線電流會產(chǎn)生較大的波動。因此，低頻脈動電流補償法對電流檢測和相應(yīng)的控制技術(shù)具有較高的要求。文獻［17，23-24］分別采用模糊控制和滑模控制，以提高并聯(lián)有源電力濾波器的動態(tài)性能。其中，文獻［17，23］為了更好地跟蹤諧波電流，采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波器。

綜上所述，將低頻脈動電流補償電路用于逆變器直流側(cè)，可以取代電解電容作為諧波發(fā)生器，延長了系統(tǒng)使用壽命，更好地抵消了逆變器產(chǎn)生的諧波，且不影響系統(tǒng)其他電路參數(shù)的設(shè)計，適用性強。然而，該類方法需要附加額外的補償電路，使得系統(tǒng)成本和設(shè)計難度提高。因此，低頻脈動電流補償法適用于對輸出電能質(zhì)量要求較高的場所，如航空電源供電系統(tǒng)。

3 基于直流電源輸入端的抑制方法

基于直流電源輸入端的抑制方法，其本質(zhì)與在直流母線電容支路并聯(lián)低頻脈動補償電路的方法一致，不同之處在于低頻脈動電流補償位置的區(qū)別。

文獻［25-26］分別將圖4（b）和（c）中的補償電路并聯(lián)在直流電源輸入端，以補償?shù)皖l脈動電流。文獻［27-28］分別將Boost型有源電力濾波器和半橋有源電力濾波器跨接在直流電源輸入端，以提供脈動電流。文獻［29］在輸入端并聯(lián)Boost型有源電力濾波器的基礎(chǔ)上，附加了2個副邊繞組，利用DC/DC變換器中隔離變壓器的漏感來補償紋波電流，提高系統(tǒng)效率。

基于直流電源輸入端的抑制方法需要附加補償電路，增加了系統(tǒng)成本。且低頻脈動電流需要經(jīng)過前級DC/DC變換器，從而增加了開關(guān)管的電流應(yīng)力及開關(guān)損耗，使系統(tǒng)效率降低。而對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，基于直流電源輸入端的抑制方法可能會影響其最大功率點跟蹤。

4 基于前級DC/DC變換器的抑制方法

為了進一步降低系統(tǒng)體積和成本，以DC/DC變換器輸出電流為優(yōu)化對象，基于前級DC/DC變換器的抑制方法被提出。其基本思想主要包括2個方面：優(yōu)化控制策略，使母線電容提供更多的低頻脈動電流；優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使變換器提供后級逆變所需的低頻脈動電流。

4.1 基于控制策略優(yōu)化的抑制方法

基于控制策略優(yōu)化的抑制方法和傳統(tǒng)的通過增大直流母線電容的抑制方法一樣，都是迫使直流母線電容提供更多的低頻脈動電流。現(xiàn)有的控制策略優(yōu)化方法主要是基于單電流環(huán)控制或者電壓電流雙閉環(huán)控制。為了更好地闡述現(xiàn)有的控制策略優(yōu)化方法，下文用如圖5所示的控制框圖的形式呈現(xiàn)。

根據(jù)2.1節(jié)中對兩級式單相逆變器的阻抗分析可知，基于控制策略優(yōu)化的抑制方法的本質(zhì)是：通過增加在2fo頻率處DC/DC變換器的等效輸出阻抗，來抑制低頻脈動電流。

當(dāng)脈動功率由母線電容提供時，母線電壓將產(chǎn)生波動，據(jù)此，文獻［30-31］通過調(diào)整前級DC/DC變換器的占空比，迫使直流母線電容提供低頻脈動電流分量。文獻［30］在電流環(huán)控制的基礎(chǔ)上，通過對兩級式單相逆變系統(tǒng)輸入輸出的定性分析，直接計算得到脈動功率由中間母線電容提供時母線電壓將產(chǎn)生的脈動，進而調(diào)整前級DC/DC變換器的占空比。此方法是在系統(tǒng)靜態(tài)條件下分析的，不能跟蹤系統(tǒng)中變化的低頻脈動電流，補償效果較差。

為此，文獻［31］提出了如圖5（a）所示的基于諧振控制器的抑制方法，在電流環(huán)中加入諧振控制器支路，使DC/DC變換器在2fo諧振頻率處的等效輸出阻抗無窮大，進而迫使直流母線電容提供低頻脈動電流分量。

由于文獻［30-31］的方法采用的是單電流環(huán)控制，對直流母線電壓波動響應(yīng)慢。為此，文獻［12］基于傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控制策略，提出了通過增加電流內(nèi)環(huán)增益并降低電壓外環(huán)增益的方法，提高DC/DC變換器在2fo頻率處的等效輸出阻抗，從而達(dá)到抑制低頻脈動電流的目的。然而，該方法需要將電壓外環(huán)增益設(shè)計得很低，這降低了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

為了提高系統(tǒng)動態(tài)性能，文獻［32］通過在電壓外環(huán)加入陷波器的方法，使得電流環(huán)給定信號不含有低頻脈動分量，從而使得變換器輸出電流不含有低頻脈動分量，如圖5（b）所示。該方法的本質(zhì)如圖6（a）所示，是通過在 Zo（s）上并聯(lián)一個虛擬阻抗Zcf（s），使得變換器在非2fo頻率處的輸出阻抗減小，從而在抑制低頻脈動電流的同時提高系統(tǒng)動態(tài)性能［33］。但由于陷波器會帶來180°的相位突變，為了保證足夠的相位裕度，系統(tǒng)動態(tài)性能提高有限。

為了進一步提高系統(tǒng)動態(tài)性能，文獻［34］基于電壓電流雙閉環(huán)控制提出輸入電流前饋的抑制方法，如圖5（c）所示；文獻［35］提出了帶陷波器的負(fù)載電流前饋方法，如圖5（d）所示；文獻［36］則是在電壓環(huán)的基礎(chǔ)上，增加一個帶有衰減阻尼的帶通濾波器的電流內(nèi)環(huán)，如圖5（e）所示。這3類方法的本質(zhì)如圖6（b）所示，是在 Zo（s）上串聯(lián)一個虛擬阻抗ZLf（s），以提高DC/DC變換器在2fo頻率處的等效輸出阻抗，從而達(dá)到抑制低頻脈動電流的目的。

圖5 基于控制策略優(yōu)化的抑制方法控制框圖Fig.5 Block diagrams of ripple current suppression based on control strategy optimization

圖6 加入虛擬阻抗的兩級式單相逆變器等效電路圖Fig.6 Equivalent circuits of two-stage inverter with virtual impedance

文獻［33］結(jié)合文獻［32，35］，提出在電壓外環(huán)加入陷波器的基礎(chǔ)上，引入帶陷波器的負(fù)載電流前饋的方法，使得系統(tǒng)能有效抑制低頻脈動電流的同時有較好的動態(tài)性能。該控制策略經(jīng)過等效變換后，其控制框圖如圖5（f）所示，其本質(zhì)是在 Zo（s）串聯(lián)一個虛擬阻抗 ZLf（s）后，并聯(lián)一個虛擬阻抗 Zcf（s）。

綜上所述，基于控制策略優(yōu)化的抑制方法無需增加額外的電路元件，就能有效地抑制直流電源輸入端的低頻脈動電流。

4.2 基于拓?fù)鋬?yōu)化的抑制方法

目前針對拓?fù)鋬?yōu)化的抑制方法研究主要包括：基于電流型和電壓型DC/DC變換器的低頻脈動電流抑制效果對比和基于DC/DC變換器附加電感電容的功率解耦控制。

文獻［37］基于全橋型DC/DC變換器，在同等功率條件下，對電流型和電壓型的輸入輸出電流傳遞函數(shù)進行了對比分析，得出電流型結(jié)構(gòu)對低頻脈動電流抑制效果更好的結(jié)論。且相比于電壓型結(jié)構(gòu)，電流型結(jié)構(gòu)具有更小的EMI、峰值電流和變壓器匝數(shù)比。文獻［38］提出了雙電感DC/DC變換器，增加了輔助變壓器，以更好地利用變壓器漏感電流。與傳統(tǒng)的電流型全橋DC/DC變換器相比，變壓器匝數(shù)比減半，且能有效抑制低頻脈動電流，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

文獻［39］在直流母線上（即圖2的③處）加入諧振頻率為2fo的LC并聯(lián)諧振電路，其本質(zhì)類似于圖6（b）在變換器輸出阻抗 Zo（s）上串聯(lián)一個阻抗 ZLc（s），ZLc（s）為LC并聯(lián)諧振電路的阻抗。該方法的缺點是：LC電路體積大、母線電壓諧波含量高、母線電容電壓應(yīng)力大、易引起共振使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

在DC/DC變換器中加入電感、電容，并配合功率開關(guān)管進行功率解耦控制。其實質(zhì)是利用DC/DC變換器的儲能元件提供后級逆變器所需的脈動功率，使得輸入源輸出功率恒定，從而消除了輸入源的低頻脈動電流。文獻［40］通過在隔離變壓器原邊繞組的中心抽頭處加入一個電感電容支路，以提供后級逆變需要的脈動功率。該方法與在直流電源端并聯(lián)電力濾波器的方法相比，減少了開關(guān)管數(shù)量，且利用了變壓器漏感，使得系統(tǒng)整體需求的電解電容減少到原來的25%。但DC/DC變換器控制開關(guān)周期中必須包含零矢量狀態(tài)，這使得DC/DC變換器電壓利用率減小、電流變化率增加。

文獻［41］則是在推挽變換器的基礎(chǔ)上，增加了一個由2個功率開關(guān)管和2個電容組成的主動衰減電路。通過在開關(guān)量中加入低頻脈動分量，使增加的電容提供后級逆變需要的脈動功率。

經(jīng)上述分析，在DC/DC變換器中加入電感、電容配合功率開關(guān)管進行功率解耦的抑制方法，雖然有效地利用了變換器上的功率開關(guān)，避免了額外增加補償電路，但前級DC/DC變換器的控制更復(fù)雜。

5 基于后級逆變器的抑制方法

為了使前級DC/DC變換器輸出不含脈動分量，以便于輸入源的最大功率點跟蹤，如光伏電池，針對后級逆變器的抑制方法被提出。目前，該類方法的主要研究包括：控制策略優(yōu)化的抑制方法和拓?fù)鋬?yōu)化的抑制方法。其本質(zhì)都是利用逆變器自身的儲能元件以提供輸出功率脈動分量，從而消除了直流母線上的低頻脈動電流。

控制策略優(yōu)化的方法主要針對新型逆變器，其中，差分逆變器由于其低成本、高密度和高效率的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在燃料電池供電系統(tǒng)中。新型Boost逆變器就是差分逆變器的一種，其由2個Buck-Boost變換器組成，輸出電壓為2個Buck-Boost變換器輸出電壓的差值，如圖7所示。文獻［42］基于新型Boost逆變器，在輸出電壓的控制變量上疊加一個相同的正弦分量，以消除逆變器輸入端的低頻脈動電流。該方法能有效地抑制低頻脈動電流，但會在逆變器輸入電流中引入4次脈動分量，且由于2個Buck-Boost變換器需同步控制，控制精度要求高，易引入高次諧波。

圖7 基于新型Boost逆變器的低頻脈動電流傳導(dǎo)圖Fig.7 Conduction of low-frequency ripple current for new Boost inverter

拓?fù)鋬?yōu)化的抑制方法主要是在傳統(tǒng)的全橋逆變器中添加儲能元件，以提供輸出功率脈動分量來抑制低頻脈動電流。其中，文獻［43］基于電流型全橋逆變器，在逆變器輸入端的電感后并聯(lián)一個緩沖電路，通過控制緩沖電路中的電容充放電，以提供輸出功率脈動分量。然而，由于緩沖電路中的電容是在逆變器開關(guān)管全部關(guān)斷時進行充電，因此占空比的約束使其對低頻脈動電流的抑制效果較差。文獻［44］則是通過增加功率開關(guān)管組成的第三橋臂，并跨接儲能元件以提供后級逆變器輸出功率的脈動分量。文獻［45］同樣增加第三橋臂，但橋臂中點與逆變器輸出濾波電容連接，使濾波電容提供脈動功率。該方法雖然避免了額外增加儲能元件，但濾波電容含有低頻脈動電流，可能引入逆變器輸出端。

文獻［44-45］的方法增加了功率開關(guān)管的數(shù)量，使系統(tǒng)成本增加，同時增加了系統(tǒng)的控制難度。文獻［46］在直流電源側(cè)加入電容，實現(xiàn)功率解耦功能；加入2個電感，實現(xiàn)紋波電流的抑制。該方法能有效地抑制直流側(cè)低頻脈動電流，無需電解電容和額外的功率開關(guān)管，但由于額外增加2個大電感，從而降低了系統(tǒng)的功率密度。

綜上所述，基于后級逆變器的抑制方法可以通過優(yōu)化控制策略和優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來抑制低頻脈動電流，進而降低直流母線電容。

6 分析與討論

結(jié)合前述對各種抑制方法的分析，現(xiàn)將近幾年來的研究成果進行歸納分類，如圖8所示。其中，無源抑制方法具有低成本、易向系統(tǒng)注入諧波的特點，適用于對電能質(zhì)量要求不高、系統(tǒng)安裝空間大的場所。

圖8 低頻脈動電流抑制方法分類圖Fig.8 Classification of low-frequency ripple current suppression methods

基于直流電源輸入端的抑制方法與基于直流母線電容的有源抑制方法的原理相同，都是通過增加補償電路，向直流母線注入同幅反向的低頻脈動電流。該類方法可以消除不同頻率段的低頻脈動電流，但需增加補償電路，同時對低頻脈動電流檢測和控制策略具有較高的要求，使系統(tǒng)成本大幅增加，適用于如航空電源系統(tǒng)等電能質(zhì)量要求較高的場所。

基于前級DC/DC變換器和后級逆變器拓?fù)鋬?yōu)化的抑制方法都是通過優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并結(jié)合相應(yīng)的控制策略，迫使變換器中的儲能元件提供逆變器所需的脈動功率，從而減少直流電源輸入端的低頻脈動電流。該類方法相較于前2類方法，充分利用了變換器的功率開關(guān)器件，在一定程度上降低了系統(tǒng)成本，但控制策略復(fù)雜，且容易受到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制。

針對DC/DC變換器和新型逆變器提出的優(yōu)化控制策略的抑制方法，是通過改變系統(tǒng)控制策略迫使系統(tǒng)內(nèi)的儲能元件提供逆變器輸出的脈動功率，從而減少直流電源輸入端的低頻脈動電流。諸如此類優(yōu)化控制策略的抑制方法無需增加額外的電路元件，減小了器件的功率損耗，提高了系統(tǒng)的可靠性。從這一角度出發(fā)，對新型Boost逆變器的控制策略進行了優(yōu)化研究，得到了如圖9所示的實驗波形。其中圖9（a）為傳統(tǒng)控制策略下新型Boost逆變器輸出電壓uo、輸出電流io和輸入電流iin的實驗波形，圖9（b）為采用改進波形控制策略得到的相關(guān)波形，比較發(fā)現(xiàn)改進波形控制策略在一定程度上減小了低頻脈動電流分量，但由于變換器的同步精度不高，實驗抑制效果不好，有待進一步完善。

圖9 新型Boost逆變器關(guān)鍵實驗波形對比Fig.9 Comparison of key experimental waveforms for new Boost inverter

綜上，逆變器低頻脈動電流抑制可以在直流母線電容支路、直流電源輸入端、前級DC/DC變換器和后級DC/AC逆變器上實現(xiàn)。從本質(zhì)上講逆變器低頻脈動電流抑制策略也可以分為2類：基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化和基于控制策略的優(yōu)化?；谕?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化一般都需要增加有源和無源元件，使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制更為復(fù)雜。基于控制策略的優(yōu)化相對靈活，系統(tǒng)成本低，隨著數(shù)字控制技術(shù)的成熟發(fā)展，是未來主要的應(yīng)用研究方向。尤其是對傳統(tǒng)的兩級式并網(wǎng)系統(tǒng)和適用于新能源應(yīng)用場合的新型逆變器的控制策略優(yōu)化研究是非常具有意義和應(yīng)用價值的。

7 結(jié)論

低頻脈動電流抑制技術(shù)是實現(xiàn)單相逆變器系統(tǒng)高效率、高密度和低成本的關(guān)鍵。本文闡述了單相逆變系統(tǒng)中低頻脈動電流抑制機理及低頻脈動電流抑制方法的根本思想。根據(jù)優(yōu)化對象的不同，對近年來出現(xiàn)的低頻脈動電流抑制方法進行了詳細(xì)分析，并總結(jié)出了抑制低頻脈動電流的基本思路：

a.迫使直流母線電容提供低頻脈動電流分量的思路，如DC/DC變換器控制策略優(yōu)化法；

b.直流母線上并聯(lián)補償電路，主動補償?shù)皖l脈動電流的思路，如低頻脈動電流補償法；

c.利用DC/DC變換器或DC/AC逆變器的儲能元件提供低頻脈動電流分量的思路，如基于新型Boost逆變器的低頻脈動電流抑制方法。

最后分析討論了現(xiàn)有的抑制方法的優(yōu)缺點，為低頻脈動電流抑制方法的研究提供參考，并通過實驗波形呈現(xiàn)了采用改進波形控制策略的新型Boost逆變器對輸入低頻脈動電流的抑制效果，有關(guān)抑制效果和相關(guān)控制策略的優(yōu)化將是下一步研究方向。

［1］BLAABJERG F，TEODORESCU R，LISERRE M，et al.Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（5）：1398-1409.

［2］MOHAMMAD N S Z，OMAR A M，MAHZAN N N，et al.A review of single-phase single stage inverter topologies for photovoltaic system［C］∥2013 IEEE 4th Control and System Graduate Research Colloquium（ICSGRC）.Shah Alam，Malaysia：IEEE，2013：69-74.

［3］PALMA L，TODOROVIC M H，ENJETI P.Design considerations for a fuel cell powered DC-DC converter for portable applications［C］∥Twenty-First Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，2006.APEC’06.Hyatt Regency Dallas，USA：IEEE，2006：6.

［4］HAYNES C，WEPFER W J.Characterizing heat transfer within a commercial-grade tubularsolid oxide fuelcellforenhanced thermal management［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2001，26（4）：369-379.

［5］WU J F，YUAN X Z，MARTIN J J，et al.A review of PEM fuel cell durability：degradation mechanisms and mitigation strategies［J］.Journal of Power Sources，2008，184（1）：104-119.

［6］FONTES G，TURPIN C，ASTIER S，et al.Interactions between fuel cells and power converters：influence of current harmonics on a fuel cell stack［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（2）：670-678.

［7］CHOI W，HOWZE J W，ENJETI P.Development of an equivalent circuit model of a fuel cell to evaluate the effects of inverter ripple current［J］.Journal of Power Sources，2006，158（2）：1324-1332.

［8］NAMIN M，AFSHARNIA S.Grid-connected PV with maximum power point tracking techniques implemented in real case study of variable radiation［C］∥Workshop on Control and Modeling for Power Electronics 2008.［S.l.］：IEEE，2008：1-5.

［9］VITORINO M A，DE ROSSITER CORRE^A M B.Compensation of DC link oscillation in single-phase VSI and CSI converters for photovoltaic grid connection［C］∥2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.Phoenix，Arizona，USA：IEEE，2011：2007-2014.

［10］SULLIVAN C R，AWERBUCH J J，LATHAM A M.Decrease in photovoltaic power output from ripple：simple general calculation and the effect of partial shading［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（2）：740-747.

［11］祝國平.兩級式逆變器中前級DC-DC變換器的二次紋波電流抑制方法［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2013.ZHU Guoping.Methods of reducing second harmonic current in the front end DC-DC converter in two-stage inverter［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2013.

［12］王建華，盧旭倩，張方華，等.兩級式單相逆變器輸入電流低頻紋波分析及抑制［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，32（6）：10-16.WANG Jianhua，LU Xuqian，ZHANG Fanghua，etal.Low frequency input current ripple analysis and reduction in a single phase inverter with two-stage structure［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（6）：10-16.

［13］LIU C，LAI J S.Low frequency current ripple reduction technique with active control in a fuel cell power system with inverter load［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（4）：1429-1436.

［14］FUKUSHIMA K，NINOMIYA T，SHOYAMA M，et al.Consideration for input current-ripple of ripple-link DC-AC converter for fuel cells［C］∥13th Power Electronics and Motion Control Conference，2008.EPE-PEMC 2008.Poznan，Poland：IEEE，2008：148-153.

［15］FUKUSHIMA K，NORIGOE I，SHOYAMA M，et al.Input currentripple consideration for the ripple-link DC-AC converter for fuel cells by small series LC circuit［C］∥IEEE Applied Power Electronics Conference.Washington DC，USA：IEEE，2009：447-451.

［16］XING K.Modeling，analysis，and design of distributed power electronics system based on building block concept［D］.Blacksburg，USA：Virginia Polytechnic Institute and State University，1999.

［17］王萍，孫雨耕，許會軍，等.逆變器直流側(cè)諧波分析與有源補償［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25（14）：52-56.WANG Ping，SUN Yugeng，XU Huijun，et al.Harmonic analysis and active compensation for the DC-link of inverter［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25（14）：52-56.

［18］WAI R J，LIN C Y.Active low-frequency ripple control for cleanenergy power-conditioning mechanism［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（11）：3780-3792.

［19］DUSMEZ S，KHALIGH A.Generalized technique of compensating low-frequency component of load current with parallel bidirectional DC /DC converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（11）：5892-5904.

［20］PALMA L.An active power filter for low frequency ripple current reduction in fuel cell applications［C］∥2010 International Symposium on Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion（SPEEDAM）.Pisa，Italy：IEEE，2010：1308-1313.

［21］WANG R，WANG F，BOROYEVICH D，et al.A high power density single-phase PWM rectifier with active ripple energy storage［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26（5）：1430-1443.

［22］CHEN Z，CHEN M，LUO Y，et al.Low frequency ripple current compensation with DC active filter for the single-phase aeronautic static inverter［C］∥2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.Phoenix，Arizona，USA：IEEE，2011：1468-1475.

［23］CIRRINCIONE M，PUCCI M，VITALE G，et al.Current harmonic compensation by a single-phase shuntactive powerfilter controlled by adaptive neural filtering［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（8）：3128-3143.

［24］李紅波，張凱，趙暉.高功率密度單相變換器的直流有源濾波器研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，32（15）：40-47.LI Hongbo，ZHANG Kai，ZHAO Hui.Researches on DC active power filters for high power density single phase converters［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（15）：40-47.

［25］JANG M，AGELIDIS V G.A minimum power-processing-stage fuel-cellenergy system based on a Boost-inverterwith a bidirectional backup battery storage［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26（5）：1568-1577.

［26］SONG Y J，CHUNG S K，ENJETI P N.A current-fed HF link direct DC/AC converter with active harmonic filter for fuel cell power systems［C］∥39th IAS Annual Industry Applications Conference，2004.Salt Lake City，Utah，USA：IEEE，2004：1.

［27］CHA H，CHOI J，HAN B.A new three-phase interleaved isolated Boost converter with active clamp for fuel cells［C］∥Power Electronics Specialists Conference，2008.PESC 2008.Seoul，Korea：IEEE，2008：1271-1276.

［28］MAZUMDER SK，BURRARK，ACHARYA K.A ripplemitigating and energy-efficientfuelcellpower-conditioning system［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（4）：1437-1452.

［29］TESTA A，DE CARO S，CANIGLIA D，et al.Compensation of the low frequency current ripple in single phase grid connected fuel cell power systems［C］∥13th European Conference on Power Electronics and Applications，2009.EPE’09.Barcelona，Spain：IEEE，2009：1-10.

［30］LEE S H，AN T P，CHA H J.Mitigation of low frequency AC ripple in single-phase photovoltaic power conditioning systems［J］.Journal of Power Electronics，2010，10（3）：328-333.

［31］JEONG H G，KIM G S，LEE K B.Second-order harmonic reduction technique for photovoltaic power conditioning systems using a proportional-resonant controller［J］.Energies，2013，6（1）：79-96.

［32］鄧翔，韋徵，龔春英，等.一種新穎的抑制兩級式直交逆變器輸入電流低頻脈動的方法［J］.中國電機工程學(xué)報，2011，31（30）：24-29.DENG Xiang，WEIZheng，GONG Chunying，etal.A novel technique for low frequency input current ripple reduction in two-stage DC-AC inverter［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（30）：24-29.

［33］ZHANG L，RUAN X，REN X.Second-harmonic current reduction and dynamic performance improvement in the two-stage inverters：an output impedance perspective［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（1）：394-404.

［34］劉斌，賀建軍，粟梅，等.兩級式單相逆變輸入端紋波電流雙反饋抑制［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（8）：187-193.LIU Bin，HE Jianjun，SU Mei，et al.Principle and input ripple current active mitigating for two-stage single-phase inverter based on double channel current feedback［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（8）：187-193.

［35］祝國平，阮新波，王學(xué)華.兩級式單相逆變器二次紋波電流的抑制與動態(tài)特性的改善［J］.中國電機工程學(xué)報，2013，33（12）：72-80.ZHU Guoping，RUAN Xinbo，WANG Xuehua.Suppression of the second harmonic currentand improvementofthedynamic performance for two-stage single-phase inverters［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33（12）：72-80.

［36］ZHANG Li，REN Xiaoyong，RUAN Xinbo.A band-pass filter incorporated into the inductor currentfeedback path for improving dynamic performance of the front-end DC-DC converter in two-stage inverter［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61（5）：2316-2325.

［37］PALMA L.DC /DC converter topology selection for low frequency ripple reduction in PEM fuelcellapplications［C］∥2012 International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion（SPEEDAM）.Sorrento，Italy：IEEE，2012：315-319.

［38］PALMA L.Current source converter topology selection for low frequency ripple current reduction in PEM fuel cell applications［C］∥39th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society，IECON 2013.Vienna，Austria：IEEE，2013：1577-1582.

［39］AN H，CHA H.Second harmonic current reduction by using a resonant circuit in a single-phase battery charger［C］∥2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.Denver，Colorado，USA：IEEE，2013：1409-1413.

［40］ITOH J I，HAYASHI F.Ripple current reduction of a fuel cell for a single-phase isolated converter using a DC active filter with a center tap［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（3）：550-556.

［41］KWON J M，EUNG-HO K，KWON B H，et al.High-efficiency fuel cell power conditioning system with input current ripple reduction［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（3）：826-834.

［42］ZHU G R，TAN S C，CHEN Y，et al.Mitigation of low-frequency current ripple in fuel-cell inverter systems through waveform control［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（2）：779-792.

［43］OHNUMA Y，ORIKAWA K，ITOH J.A single-phase current source PV inverter with power decoupling capability using an active buffer［C］∥2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.Denver，Colorado，USA：IEEE，2013：3094-3101.

［44］VITORINO M A，DE ROSSITER CORREA M B.Compensation of DC link oscillation in single-phase VSI and CSI converters for photovoltaic grid connection［C］∥2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.Phoenix，Arizona，USA：IEEE，2011：2007-2014.

［45］VITORINO M A，CORREA M B R，JACOBINA C B.Singlephase power compensation in a current source converter［C］∥2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.Denver，Colorado，USA：IEEE，2013：5288-5293.

［46］CAI W，JIANG L，LIU B，et al.A power decoupling method based on four-switch three-port DC /DC /AC converter in DC microgrid［C］∥2013 IEEE Energy Conversion Congressand Exposition（ECCE）.Denver，Colorado，USA：IEEE，2013：4678-4682.