LCL濾波器型雙Buck并網(wǎng)逆變器

臧　鵬，洪　峰，辛張楠，嵇鼎毅

(1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京210016；2.寧波公安海警學(xué)院，浙江 寧波315000)

LCL濾波器型雙Buck并網(wǎng)逆變器

臧鵬1，洪峰1，辛張楠1，嵇鼎毅2

(1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京210016；2.寧波公安海警學(xué)院，浙江 寧波315000)

提出利用LCL濾波器對雙Buck并網(wǎng)逆變器濾波。LCL濾波的雙Buck并網(wǎng)逆變器既有LC濾波的無橋臂直通、可靠性高、器件耐壓應(yīng)力要求低等優(yōu)點，又保證濾除系統(tǒng)的高次諧波，減小總電感體積。首先分析了LCL型雙Buck并網(wǎng)逆變器的工作模態(tài)，然后設(shè)計LCL的參數(shù)等，最后分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性。并且用實驗進行驗證。

雙Buck；逆變器；LCL濾波

0　引言

雙Buck逆變器是針對航空電源和新能源發(fā)電等對電源可靠性和效率要求高的場合提出的一類逆變器拓撲。雙Buck逆變器無橋臂直通和開關(guān)管寄生二極管反向恢復(fù)問題，開關(guān)損耗低。但雙Buck逆變器需要兩個獨立濾波電感，磁件體積、重量均較大。

在抑制高頻諧波的同時又減小電感體積與重量是雙Buck逆變器研究的一個方向。文獻[1-2]改進雙Buck逆變器的控制方法，消除了固有的電流過零畸變，實現(xiàn)較小的電流紋波。但電路組成復(fù)雜，電感數(shù)量多、體積大，穩(wěn)定性差。文獻[3]在雙Buck逆變器中引入磁集成技術(shù)，有效地減小了磁件體積和重量。但磁集成技術(shù)有環(huán)流，破壞雙 Buck的半周期模態(tài)，降低電路效率。文獻[4]使用LLC對雙Buck逆變器濾波，電感量與電感體積均減小，但電路有兩個分壓電容，器件的電壓應(yīng)力大，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

本文提出用 LCL濾波器對雙 Buck并網(wǎng)逆變器濾波。LCL濾波器對高頻諧波電流有很大的衰減作用，而且同樣的諧波抑制效果，所需電感量較L、LC濾波器更小，電感體積與重量減小。尤其對雙 Buck并網(wǎng)逆變器，整個工作周期需要兩個獨立濾波電感的拓撲。這一設(shè)計既保證電路高頻諧波濾波特性好、輸出紋波小，又減小磁件體積和重量。本文結(jié)合LCL濾波器型雙Buck并網(wǎng)逆變器的研究，分析了LCL濾波器的參數(shù)及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1　LCL濾波器型雙Buck并網(wǎng)逆變器原理簡介

圖1是LC濾波器型雙Buck并網(wǎng)逆變器的電路拓撲。圖中，將濾波電容Cs接在電網(wǎng)兩端。A、C間電壓為UAC，B、C間電壓為 UBC。輸出電壓正極性半周，開關(guān)管S1斬波，二極管D1續(xù)流，逆變器輸出電平UAC為+Udc或-Udc，UBC與電網(wǎng)電壓一致。輸出電壓負極性半周與正極性半周工作過程對稱。UAC和UBC分別經(jīng)過LC濾波后輸出一個完整的正弦波給電網(wǎng)。這種濾波方式結(jié)構(gòu)簡單，但雙Buck電路有兩個橋臂并聯(lián)工作，需兩個電感，電感體積大，成本高。因此本文提出用LCL濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LC濾波器對雙Buck并網(wǎng)逆變器進行濾波以保證在同樣輸出電流紋波的情況下，減小電感量、磁件體積。

對圖1中Buck全橋逆變器修改如下：輸出負載處串電感L3且電容Cs與L3、電網(wǎng)并聯(lián)。如圖2。

圖1　LC型雙Buck并網(wǎng)逆變器

圖2　LCL型雙Buck并網(wǎng)逆變器

電路工作分4模態(tài)，如圖3示。

圖3　LCL型雙Buck并網(wǎng)逆變器工作模態(tài)

(1)工作模態(tài)1：如圖3(a)所示，輸出電流 Io＞0，電感電流 IL1＞0，電感電流 IL2＝0，功率開關(guān)管 S2截止，S1導(dǎo)通，IL1的數(shù)值線性上升，變換器輸出 UAC為+Udc。

(2)工作模態(tài) 2：如圖3(b)所示，Io＞0，IL1＞0，IL2＝0，S2截止，S1關(guān)斷，IL1從功率二極管D1續(xù)流，線性下降，變換器輸出 UAC＝－Udc。

(3)工作模態(tài) 3：如圖3(c)所示，Io＜0，IL1＝0，IL2＞0，IL3＜0，S1截止，S2導(dǎo)通，IL2線性上升，變換器輸出 UBC＝－Udc。

(4)工作模態(tài) 4：如圖3(d)所示，Io＜0，IL1＝0，IL2＞0，S1截止，S2關(guān)斷，IL2從二極管D2續(xù)流，線性下降，變換器輸出 UBC＝+Udc。

2　LCL濾波器型雙Buck并網(wǎng)逆變器的分析

2.1LCL電容參數(shù)選取

濾波電容Cs對逆變器低頻波呈高阻抗，對高頻波呈低阻抗，增大濾波電容可加強高頻諧波衰減。但Cs增大導(dǎo)致無功功率增加，電路效率降低。一般取Cs無功功率Pc與電路額定功率P的百分比作為選取濾波電容標(biāo)準(zhǔn)，如式(1)：

本文取 α＝0.05[5]，得Cs≈3.3 μF，實際電容取 4 μF。

2.2LCL濾波器電感參數(shù)選取與分析

雙 Buck并網(wǎng)逆變器由兩個 Buck橋臂電路并聯(lián)組成，各工作半周，過程對稱，將兩路Buck等效為一路分析。本文逆變器輸出電壓等效為基波與高頻諧波電壓之和，二者均為正弦波形式。高頻電路等效示意圖如圖4，Uhi是高頻源，Ih1、Ih3、Ihc分別是逆變器側(cè)輸出電流、負載電流和電容電流的高頻分量。LCL濾波器中總電感量為L，a是LCL電感取值比例系數(shù)，0＜a＜1。

圖4　LCL濾波器型高頻等效電路圖

根據(jù)圖4有逆變器側(cè)輸出電壓與負載電流的關(guān)系式為：

式(2)、式(3)可分別求得逆變器側(cè)輸出的高頻電壓到網(wǎng)測輸出的高頻電流的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

當(dāng) G0(S)＝0時，高頻諧波會在進入電網(wǎng)前全部被濾除，所以此時的角頻率為LCL濾波器所需的諧振角頻率，如下式：

通常為避免在低頻和高頻處產(chǎn)生諧振，則應(yīng)使諧振角頻率滿足：

其中，ω是基波角頻率，ωs是開關(guān)角頻率，ωr是諧振角頻率。令ωr=ωs/2，并將 ω=ωs和式(5)代入式(7)：

在濾波器對高頻諧波有同樣抑制比時，由式(10)知LCL濾波器總電感值L取LC濾波器電感值的1/3即可。對于LC濾波器，滿載1 000 W時，電流紋波取小于平均電流的 0.2[6]，得到電感取 1.16 mH，LCL的電感量取387 μH即可。

L1和L3的比例關(guān)系在L和Cs一定時，對諧振角頻率會有影響，為避免在靠近低頻和高頻處發(fā)生諧振，在高頻等效電路不考慮阻抗的情況下，參照式(8)選取 L1/ L=0.7或0.3，此時ωr=55K(rad/s)滿足式(8)。紋波電流會增加功率模塊的損耗與溫升，降低功率器件使用壽命，所以一般要求逆變器側(cè)電流的紋波含量要小。因此本實驗中，取L1/L=0.7。所以L1=270 μH，L2=117 μH。

2.3電路系統(tǒng)分析

雙Buck并網(wǎng)逆變器閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5　LCL型雙Buck并網(wǎng)逆變器閉環(huán)系統(tǒng)框圖

Kp、Ki分別是電流環(huán)的比例積分系數(shù)。Ki是逆變器輸出總電流的采樣比例系數(shù)，Ir是電壓環(huán)的基準(zhǔn)。Ug是電網(wǎng)電壓，傳遞函數(shù)G1根據(jù)等效電路圖4和方程組：

為便于分析，得系統(tǒng)線性化等效框圖6。

圖6　系統(tǒng)線性等效框圖

KPWM是系統(tǒng)線性化后的等效比例系數(shù)，Io=Ig=I3。根據(jù)圖6得到經(jīng)反饋校正后的輸出電流Ig和基準(zhǔn)電流Ir的開環(huán)傳遞函數(shù)如下：

其中，Z是電網(wǎng)等效阻抗。

根據(jù)傳遞函數(shù)繪制幅頻特性曲線如圖7，濾波器的截止頻率 55K(rad/s)，在開關(guān)頻率188K(rad/s)的 1/3處。相頻特性曲線中，相位裕度在 40°，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性良好。

圖7　系統(tǒng)Bode圖

3　實驗結(jié)果

LCL型雙Buck并網(wǎng)逆變器原理樣機主要參數(shù)如下：輸出濾波電容 Cs=4 μF，輸出濾波電感 L1=L2=270 μH，L3=117 μH，磁芯選取 L1、L2為 EE40，L3為單 EE28，磁芯總體積Ve=29 400 mm3。為分析比較，LC型雙Buck并網(wǎng)逆變器的器件選型同上臺樣機一致，只有輸出濾波電感L1=L2=1.2 mH，磁芯選取均為雙 EE55磁芯，磁芯總體積Ve=139 600 mm3。雙Buck并網(wǎng)逆變器用 LCL濾波器的電感感值是L濾波器的1/3，電感體積是1/4。

圖8為使用LCL濾波器的關(guān)鍵波形：電網(wǎng)電壓Ug、逆變器側(cè)輸出電流 IL、高頻開關(guān)驅(qū)動信號 Drv1、輸出電流Io。圖9為LC型雙Buck并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵波形。如圖8、9所示，LCL型雙Buck并網(wǎng)逆變器在電感量和電感體積均小于LC型的情況下，二者的輸出電壓、電流波形基本一致。

圖8　LCL實驗波形

圖9　LC實驗波形

4　結(jié)論

本文提出一種LCL型雙Buck并網(wǎng)逆變器，分析了電路工作過程及其穩(wěn)定性，并設(shè)計了LCL參數(shù)。本文提出的拓撲特點如下：繼承雙Buck變換器本身輸出諧波含量小，無橋臂直通等優(yōu)點。電感感值減小，提高系統(tǒng)效率。

[1]GUDEY S K，GUPTA R.Sliding mode control of dual-buck full-bridge inverter[C].Power Electronics(IICPE)，2012 IEEE 5th India International Conference on.IEEE，2012：1-6.

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[5]胡金高.有源濾波器中LCL濾波參數(shù)選擇和匹配[J].福州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013(6)：1009-1015.

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Dual buck inverter photovoltaic grid with LCL filter

Zang Peng1，Hong Feng1，Xin Zhangnan1，Ji Dingyi2
(1.College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Ningbo Maritime Police Academy，Ningbo 315000，China)

This paper presents a kind of dual buck photovoltaic grid inverter with LCL filter.Dual buck inverter of LCL type is no shoot-through,high reliability,low breakdown voltage stress,and by improving the filter from LC into the LCL filter,it improves the filtering system on harmonic generation.Moreover,the volume and weight of filter inductor is lower.In this paper,a detailed analysis about dual buck connected inverter of LCL type working mode is carried out in first.Secondly,the parameters of system are designed.At last,the stability of the system is analyzed in detail.The experiment has verified the above analyses.

dual buck；inverter；LCL filter

TD655

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.035

2015-06-24)

臧鵬（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子設(shè)計，光伏并網(wǎng)。

洪峰（1979-），通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：電力電子功率變換器、航空電源，E-mail：hongfeng@nuaa.com。

辛張楠（1986-），男，碩士，主要研究方向：電力電子技術(shù)。

中文引用格式：臧鵬，洪峰，辛張楠，等.LCL濾波器型雙 Buck并網(wǎng)逆變器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：129-132.

英文引用格式：Zang Peng，Hong Feng，Xin Zhangnan，et al.Dual buck inverter photovoltaic grid with LCL filter[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：129-132.