电流与输入电压的不匹配为什么会给电网带来大量的谐波

在AC-DC SMPS应用中，桥式整流器被用于将交流输入转换为直流总线电压，并为第二级的隔离DC-DC转换器供电。其中，电流与输入电压的不匹配会给电网带来大量的谐波反馈。因此，电子仪器在接入电网时，需要遵循相关标准规定的功率因数规范和谐波限制。为了解决这些问题，在大多数AC-DC应用中，通常会使用功率因数校正技术。

光储充一体化系统是一种集成了光伏发电、储能和充电功能的综合能源系统，它能够提高能源利用效率、平衡电网负荷，并应对电力突发需求。PCS(Power Conversion System，储能变流器)是该系统中的核心设备，负责将电池系统中的直流电转换为与电网或负荷兼容的交流电，或将交流电转换为直流电储存到电池中。

储能变流器(Power Conversion System，简称PCS)，在电化学储能系统中，是连接于电池系统与电网(和/或负荷)之间实现电能双向转换的装置，可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。

PCS 由 DC/AC 双向变流器、控制单元等构成。PCS控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。同时PCS可通过CAN接口与BMS通讯、干接点传输等方式，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。

双向AC-DC变换器广泛应用在新能源、微电网和电动汽车充电等领域[1-6]。如何实现功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)[7]、提升变换效率、降低成本和提高动态性能是该类变换器的研究热点。近年来，国内外学者提出系列双向AC-DC变换拓扑，按照拓扑结构可分为两级式和单级式结构。两级式拓扑通常由前级单相脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)整流器和后级双有源桥(Dual Active Bridge, DAB)或谐振变换器构成[8-9]，该拓扑可靠性高、结构稳定、前后级控制方法成熟，是目前车载充电器主流拓扑[10]形式。

相比两级式拓扑，单级式拓扑实现功率单级变换，具有高效、高功率密度和低成本等潜在优势。单级式拓扑的交流侧可采用工频折叠电路+桥式电路，文献[11]采用工频折叠电路+DC-DC LLC谐振变换器实现准单级变换，文献[12]的后级DC-DC电路则采用DAB拓扑。另一种实现方式是采用双向开关，文献[13]采用LLC谐振型的双向开关单级AC-DC拓扑，但由于谐振腔正反双向非对称，反向工作时效率会降低。本文采用DAB型的半桥双向开关单级AC-DC拓扑，具有主电路结构简单、结构对称且控制简单等优点。

传统DAB型双向AC-DC通常采用移相调制策略，单移相调制[14]为最常见的移相调制策略，因只有一个自由度，难以在全负载范围实现软开关[15]，且在轻载时存在较大环流。据此，国内外学者提出了许多改进的调制策略[16-19]。文献[16]采用单移相调制+占空比调制方式实现了宽负载范围软开关，但控制较为复杂。文献[17]则在单移相调制基础上加入DC侧桥内移相角，通过计算得到交流电流表达式并使其跟随交流电压，但还是无法实现全范围的软开关，且AC侧开关管只能实现零电流开通，损耗较大。文献[18]明确了拓展移相调制下的移相比选取范围，但并未提出最优回流功率调制策略。文献[19]采用拓展移相调制方法，能有效减小传统单移相控制带来的较大的电流应力，但分段较多、控制复杂。

临界电流模式(Boundary Current Mode, BCM)作为一种常见的调制策略在PFC方面有着广泛的应 用[20]，该策略通过控制电感电流为BCM使得其在每个开关周期内为双向电流以提供零电压软开关(Zero Voltage Switching, ZVS)条件。考虑到DAB型单级AC-DC变换器在仅采用移相调制时难以实现全负载软开关，效率无法进一步提高的问题，本文提出了一种改进型的基于BCM的调制策略，将移相调制和变频调制相结合，实现了PFC和全交流电压范围内所有开关管的软开关，提高了整体效率。最后搭建实验平台，通过实验验证了所提出的控制策略的正确性和有效性。

单极性电路开关拓扑结构是一种简单而常见的电路结构，它的特点是只有一个电源极性，可以通过开关控制器控制电路的导通和截止。这种拓扑结构适用于低压、小功率的电路，如LED灯、小型电机等。

双极性电路开关拓扑结构是在单极性电路开关的基础上发展而来的，它的特点是有两个电源极性，可以实现正反向的控制。这种拓扑结构适用于一些需要反转电流方向的电路，如H桥驱动器、直流电机控制器等。多极性电路开关拓扑结构是在双极性电路开关的基础上发展而来的，它的特点是具有多个电源极性，可以实现更加复杂的控制。这种拓扑结构适用于需要多种电压、电流的电路，如电动车控制器、太阳能控制器等。

在选择电路开关拓扑结构时，需要根据实际应用需求进行选择。对于小功率、低压的电路，可以选择单极性电路开关拓扑结构;对于需要反转电流方向的电路，可以选择双极性电路开关拓扑结构;对于需要控制多种电压、电流的电路，可以选择多极性电路开关拓扑结构。同时，为了优化电路开关性能，可以采用一些优化措施，如增加电容、电感等元件，选择合适的开关管型号等。总之，电路开关拓扑结构是电路设计中一个重要的方面，选择合适的拓扑结构可以提高电路的性能和稳定性。

‌单级拓扑与两级拓扑的主要区别在于结构复杂度、效率、成本和适用场景等方面。‌

‌单级拓扑‌：结构相对简单，通常只包含一个主要的转换级，如DC/AC逆变器。这种结构适用于需要直接转换的场景，如光伏储能系统中的DC/AC逆变器‌1。

‌两级拓扑‌：结构相对复杂，通常包含两个转换级，如DC/DC和DC/AC。这种结构适用于需要电压转换和电流调节的场景，如传统多口快充方案中的“PFC+LLC+多路Buck级联”架构‌2。

‌单级拓扑‌：在特定应用中，单级拓扑通常具有更高的效率。例如，在单口输出90W工况下，单级拓扑的效率可达92.3%，峰值效率可突破94%;在双口输出时，整体效率依然保持在91%以上，高压输入场景下效率优势更为明显‌2。

‌两级拓扑‌：由于涉及多个转换级，两级拓扑的效率通常较低，存在效率叠加损耗的问题‌2。

‌单级拓扑‌：由于结构简单，所需的组件较少，因此成本相对较低。例如，南芯PowerQuark SIMO方案通过单级拓扑替代传统两级架构，省去了次级DC-DC控制器、电感及光耦等外围器件，系统BOM精简至仅需一颗主控芯片和协议芯片‌2。

‌两级拓扑‌：由于涉及多个转换级和更多的外围设备，成本相对较高‌2。

‌单级拓扑‌：适用于需要直接转换且对效率要求较高的场景，如光伏储能系统中的并网系统‌1。

‌两级拓扑‌：适用于需要电压转换和电流调节的复杂应用，如传统多口快充方案和光储充一体化系统中的储能变流器(PCS)‌23。