LCL濾波器參數(shù)性能的比較

摘 "要： LCL型濾波器就諧波濾除相較于L型以及LC型濾波器具有很大的優(yōu)勢，在此首先通過對濾波總電感值L1+L2與濾波電容C2兩者之間的關(guān)系進行研究，然后提出一種在濾波電容以及總電感值較低且不變的情況下，通過改變?yōu)V波電感L1，L2的值設(shè)計出滿足并網(wǎng)要求且諧波抑制最為顯著的濾波器。最后通過10 kVA樣機實驗驗證該設(shè)計取得了良好的效果。

關(guān)鍵字： LCL型濾波器; 濾波電感; 濾波電容; 諧波濾除

中圖分類號： TN710?34; TM464 " " " " " " " " " "文獻標識碼： A " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0121?03

Comparison of parameter performances of LCL filter

LU Qing， ZHANG Jian， ZHENG Chong?wei， DAI Yu?xing

（College of Physical and Electronic Information Engineering， Wenzhou University， Wenzhou 325035， China）

Abstract： Compared with L?type harmonic filter and LC?type filter， LCL filter has a greater advantage in harmonic suppression. The relationship between the filtering total inductance L1+L2 and filtering capacitor C2 is researched， and then a design scheme of the filter which has most significant harmonic suppression and can meet grid?connection requirements by changing the filter inductance value under the cases that the total inductance value and filtering capacitor are low and unchanged is proposed. The experiments with 10 kVA prototype show that this design has obtained a good effect.

Keywords： LCL filter; filtering inductor; filtering capacitor; harmonic filtering

0 "引 "言

伴隨著科技的飛速發(fā)展，國家對能源的需求也與日劇增，然而石油、天然氣等傳統(tǒng)能源即將面臨枯竭，作為新型能源的太陽能應運而生且得到了快速發(fā)展。但是光伏并網(wǎng)逆變器輸出的并網(wǎng)電流中含有大量的諧波，這些諧波會導致電能質(zhì)量的惡化，繼而引發(fā)大規(guī)模的事故。因而濾波器的設(shè)計對于改善電能質(zhì)量尤為重要。就現(xiàn)階段而言，LCL濾波器的設(shè)計方法也層出不窮。文獻[1]提出了分裂電容法，將LCL型濾波器的中間旁通電容分成并聯(lián)的前后兩部分，取兩電流的加權(quán)平均值的方法;文獻[2]根據(jù)濾波器的限制條件來確定具體參數(shù)范圍，但是具有很強的經(jīng)驗性不利于設(shè)計;文獻[3]中利用被動阻尼比的方法進行相關(guān)驗證等均存在相應的缺點。

本文依據(jù)LCL型濾波器中濾波總電感值[L1+L2]與濾波電容[C2]兩者之間的關(guān)系提出了一種在濾波電容以及總電感值較低且不變的情況下， 通過改變?yōu)V波電感[L1]，[L2]的值即當濾波電感[L1]大于濾波電感[L2]時設(shè)計出滿足并網(wǎng)要求且諧波含有量較少的濾波器。并且通過實驗驗證了在濾波電容以及總電感值較低且不變的情況下，濾波電感[L1]大于濾波電感[L2]的濾波效果明顯優(yōu)于濾波電感[L2]大于濾波電感[L1]所設(shè)計的LCL濾波器。

1 "三相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為三相并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)圖，[iPV]為直流電流，[Cdc]為直流母線電容，[Ud]為直流母線電壓;[VT1～VT6]為三相逆變的6個IGBT橋臂。[R1]，[R2]分別為兩側(cè)濾波電感的內(nèi)阻。該拓撲結(jié)構(gòu)中LCL型濾波器的傳遞函數(shù)可以表示為如下：

[G（s）=iL2（s）ub（s）=1L1L2Cs3+（L2R1+L1R2）s2+（CR1+CR2+L1+L2）s+R1+R2] " （1）

2 "濾波器參數(shù)性能分析

由于LCL濾波器在抑制諧波方面效果顯著，故本文就LCL濾波器的參數(shù)性能進行相關(guān)比較，最后設(shè)計出一種滿足并網(wǎng)要求且諧波抑制最為顯著的濾波器。依據(jù)圖1所示的并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)中濾波電感[L1]、[L2]和濾波電容[C2]，通過Matlab仿真得到LCL型濾波器中濾波總電感值[L1+L2]與濾波電容[C2]兩者之間的關(guān)系如圖2所示，并且可以看出：在濾波電容[C2]值越大的時候，[L1+L2]總電感量值越小。

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圖1 三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

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圖2 濾波器中[C2]與[L1+L2]之間的關(guān)系

依據(jù)上述仿真結(jié)果，本文在保持濾波電容、總電感值較小且不變的情況下，通過改變[L1]，[L2]進行相關(guān)性能比較，最后提出在濾波電容[C2]值以及[L1+L2]總電感量值不變的情況下，[L1]電感值大于[L2]電感值的時候，此時LCL濾波器的性能達到最優(yōu)。并且依據(jù)濾波器的限制條件對濾波器的參數(shù)進行如下設(shè)計：

（1） 諧振頻率可以表示為：

[fres=12πL1+L2L1L2C2] " "（2）

在已知諧振頻率的前提下可以求出濾波電容[C2]，而[C2]吸收的無功功率不能大于系統(tǒng)額定有功功率的5%，此處選取2%的無功功率;可以得到：

[C2=Pn2×2πf1u2g] " " （3）

式中：[Pn]為并網(wǎng)逆變器輸出的額定有功功率;[ug]為相電壓有效值;[f1]為電網(wǎng)基波頻率。

（2） LCL濾波器總的電感所產(chǎn)生的阻抗壓降小于正常額定工作情況下電網(wǎng)電壓的10%;由式（2）以及上述推導可以得到：

[L2=L1ω2resL1C2-1] " （4）

3 "實驗驗證

在額定容量10 kVA的單相并網(wǎng)逆變器樣機上其電路拓撲如圖1所示，給定電網(wǎng)額定電壓230 V，直流電壓580 V，調(diào)制頻率5 kHz，并且保持濾波電容[C1]為20 μF且總電感值[L1+L2]為2.5 mH不變的情況下，通過改變[L1]，[L2]的參數(shù)進行相關(guān)比較實驗，分別得到了逆變電壓以及并網(wǎng)電流的波形圖如圖3所示。

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圖3 實驗波形

通過上述實驗可以明顯看出在濾波電容、總電感值不變的情況下，當濾波電感[L1]大于[L2]的時候相比[L2]大于[L1]時所設(shè)計的LCL濾波器的實際性能更加優(yōu)越，即逆變器逆變輸出電壓以及并網(wǎng)電流的電能質(zhì)量更加優(yōu)化。

4 "結(jié) "語

本文根據(jù)LCL濾波器[L1+L2]，[C2]兩者之間的關(guān)系，提出了一種在濾波電容以及總電感值較低且不變的情況下，通過改變?yōu)V波電感[L1]，[L2]的值設(shè)計出滿足并網(wǎng)要求且諧波抑制最為顯著的濾波器。最后在10 kVA的單相并網(wǎng)逆變器樣機上驗證了當濾波電感[L1]大于[L2]的時候，LCL濾波器的實際性能更加顯著。

參考文獻

[1] 沈國橋.LCL濾波并網(wǎng)逆變器的分裂電容法電流控制[J].中國電機學報，2008，28（18）：36?41.

[2] 劉飛.三相并網(wǎng)逆變器LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計與研究[J].電工技術(shù)學報，2010，25（3）：110?116.

[3] 魏星.三相并網(wǎng)逆變器的LCL濾波器設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2011，44（11）：13?15.

[4] 邱燕.基于諧波頻譜的LCL濾波器設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2012，45（4）：7?9.

[5] MALESANI L， TENTI P， GAIO E， et al. Improved current control technique of VSI PWM inverters with constant modulation frequency and extended voltage range [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1991， 27（2）： 365?369.

[6] FUKUDA S， YODA T. A novel nurrent?tracking method for active filters based on a sinusoidal internal model [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2001， 37（3）： 888?895.

[7] FAINAN A， JAN S. Control of VSC connected to the grid through LCL?filter to achieve balanced currents [C]// PESC 29th Annual Meeting Conference Record of Power Electronics Specialists Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2005， 1： 572?578.

[8] SHEN Guo?qiao， XU De?hong， XI Dan?ji， et al. An improved control strategy for grid?connected voltage source inverters with a LCL filter [C]//IEEE Twenty?First Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition. [S.l.]： IEEE， 2006： 1067?1073.

[9] 黃殿君，田立欣，王碩，等.光伏并網(wǎng)逆變器控制和仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（10）：146?148.

[10] 郭天嬌，付成偉，高明，等.三相SVPWM逆變器死區(qū)時間的硬件保護[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（20）：189?191.