一種光伏逆變器的LCL濾波器設(shè)計

向薈羽 倪福銀

摘? ? 要：光伏發(fā)電因安全、清潔而具優(yōu)勢，光伏逆變器是光伏發(fā)電的核心設(shè)備，因而受到廣泛和深入的關(guān)注。研究了光伏逆變器LCL濾波器設(shè)計，采用兩級非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級DC/DC變換器采用Boost升壓斬波電路，后級DC/AC逆變橋采用三相橋式逆變電路，建立了數(shù)學(xué)模型，給出了LCL濾波器結(jié)構(gòu)控制方案。闡述了LCL濾波器具體參數(shù)設(shè)計過程，運(yùn)用MATLAB建立仿真模型，通過仿真測試，該逆變器產(chǎn)生的并網(wǎng)電壓波形呈現(xiàn)正弦波形，曲線光滑無毛刺，符合國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，表明該LCL濾波器參數(shù)設(shè)計合理可靠，具有理論和實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;光伏逆變器;LCL濾波器;諧波

中圖分類號：TM 914.4? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2019）06-0073-06

光伏發(fā)電具有清潔無污染、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，因而越來越得到世界各國的關(guān)注，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具活力的新能源之一。[1-3]隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，包括光伏發(fā)電逆變器、有源電力濾波器等在內(nèi)的各類電力電子裝置，已逐漸廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)中。并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電的核心設(shè)備，同時對于配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理提高也起著重要作用，因此，光伏逆變器已成為眾多學(xué)者的主要研究對象。[4-10]

對于并網(wǎng)逆變器，當(dāng)前主要采用脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行并網(wǎng)控制，取得了很好的控制效果，但由于逆變器的逆變橋開關(guān)動作將產(chǎn)生高頻電流成分，從而使輸出電流極易引起電流波動及電壓浪涌沖擊;針對此問題，可采用LCL濾波器來濾除脈沖電壓。LCL濾波器是一種三階低通濾波器，能夠在降低電感要求的情況下實現(xiàn)非常有效的開關(guān)諧波衰減，將電流諧波含量進(jìn)行濾除，[11-12]此外，逆變器的輸出濾波器還起著并網(wǎng)和隔離作用，保護(hù)逆變器全橋開關(guān)管，防止其受到電網(wǎng)端高頻暫態(tài)干擾的影響。但如果逆變器LCL濾波器參數(shù)設(shè)計不佳，也可能將諧振問題引入光伏發(fā)電系統(tǒng)，這使得逆變器閉環(huán)電流控制器的設(shè)計具有挑戰(zhàn)性。因此，對于LCL濾波器參數(shù)的設(shè)計，既要考慮濾波電感以滿足并網(wǎng)電流的諧波指標(biāo)，也要滿足并網(wǎng)電流跟蹤電網(wǎng)電壓的快速性要求;而在設(shè)計濾波電容時，需要兼顧衰減高頻諧波能力與系統(tǒng)高效率的問題。[13-14]

本文主要研究光伏逆變器LCL濾波器設(shè)計，采用兩級非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級DC/DC變換器采用Boost升壓斬波電路，后級DC/AC逆變橋采用三相橋式逆變電路，建立數(shù)學(xué)模型，給出了LCL濾波器結(jié)構(gòu)控制方案;通過闡述LCL濾波器具體參數(shù)設(shè)計過程，運(yùn)用MATLAB建立仿真模型進(jìn)行仿真測試。

1? ?三相橋式LCL濾波器的數(shù)學(xué)模型

圖1所示為具有LCL濾波的光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中：左側(cè)為一個三相橋式逆變電路;與逆變電路連接的是LCL濾波，由逆變側(cè)電感[L1]、以Y型相連的三個電容組成的濾波電容C、與電網(wǎng)端相連接的網(wǎng)側(cè)電感[L2]構(gòu)成。

2? ? LCL濾波器參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)計指標(biāo)參數(shù)包括：直流母線電壓[Vdc=750 V]，電網(wǎng)相電壓[En=220 V]，頻率[f=50 Hz]，額定有功功率[Pn=10 KW]，逆變橋開關(guān)頻率設(shè)置為[fs=20 kHz]。

2.1? 橋臂側(cè)電感值計算

對于逆變器并網(wǎng)控制策略，采用SVPWM調(diào)制方式，則LCL濾波器的輸入電流紋波[15]為：

2.2? 濾波電容值計算

LCL濾波器中增加電容支路，不僅可以有效地濾除并網(wǎng)逆變器輸出電流中的高頻諧波成分，從而提升并網(wǎng)電流波形品質(zhì)，而且可以保證并網(wǎng)逆變器能以較高的功率因數(shù)輸出。設(shè)計中，限定濾波電容產(chǎn)生的無功功率的上限為系統(tǒng)額定功率的5% [15]，即：

3? ? MATLAB/Simulink 仿真及結(jié)果分析

為了驗證上述光伏逆變器LCL濾波器參數(shù)設(shè)計的正確性與合理性，在MALAB/Simulink仿真環(huán)境下搭建了基于LCL濾波的三相光伏并網(wǎng)逆變器仿真模型，其參數(shù)如表1所示。

通過仿真，a相電流波形如圖3所示。其中：圖3（a）為未通過LCL濾波的逆變側(cè)a相電流波形;圖3（b）為通過LCL濾波的電網(wǎng)側(cè)a相電流波形。對比可見，經(jīng)過LCL濾波后，正弦電流畸變明顯減小，電流曲線光滑無毛刺，諧波含量減少，電流質(zhì)量明顯得到改善。

三相逆變輸出濾波前后的并網(wǎng)電流波形如圖4所示。其中：圖4（a）為未通過LCL濾波的逆變側(cè)三相電流波形;圖4（b）為通過LCL濾波的電網(wǎng)側(cè)三相電流波形。顯然，經(jīng)過LCL濾波的電流波形得到明顯改善，逆變器的諧波成分得到很好的抑制，從而提高了逆變器并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

為進(jìn)一步驗證逆變器并網(wǎng)的諧波抑制效果，對濾波前后輸出電流信號進(jìn)行頻譜分析，其頻譜如圖5所示。其中：圖5（a）為逆變側(cè)電流諧波頻譜圖;圖5（b）為電網(wǎng)側(cè)電流諧波頻譜圖?？梢?，經(jīng)過LCL濾波器的濾波，諧波畸變率由逆變側(cè)電流的6.33%減小到電網(wǎng)側(cè)電流反饋的2.27%，表明所設(shè)計的LCL濾波器參數(shù)性能良好，可以有效減小高次電流諧波。

4? ?結(jié)語

隨著光伏發(fā)電成本的下降以及新能源的不斷推廣，光伏發(fā)電必將得到長足發(fā)展。本文通過對光伏發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備光伏逆變器的研究，建立了LCL逆變器的兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給出了三相靜止坐標(biāo)系下的模型，再經(jīng)變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型和LCL濾波器控制結(jié)構(gòu);詳細(xì)給出了逆變側(cè)電感、網(wǎng)側(cè)電感和濾波電容值參數(shù)的設(shè)計過程，并對LCL濾波器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;運(yùn)用MATLAB/Simulink 搭建了基于LCL濾波的三相光伏并網(wǎng)逆變器仿真模型，通過仿真，驗證了逆變器LCL參數(shù)設(shè)計的正確性與可行性。

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