一種面向PWM 逆變器的濾波器設(shè)計

李金釗

（新加坡南洋理工大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，新加坡 639798）

近年來，直流發(fā)電機成為了新能源技術(shù)的研究與應(yīng)用趨勢之一，其區(qū)別于傳統(tǒng)的電磁交流發(fā)電機，利用半導(dǎo)體摩擦或光照而產(chǎn)生伏特效應(yīng)的直流發(fā)電機具有易儲存、電流密度高、阻抗低等優(yōu)點[1-4]。在直流發(fā)電機大規(guī)模應(yīng)用場景下，脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）逆變器可以承擔(dān)直流發(fā)電機的功率控制和直流電到交流電的變換任務(wù)。然而，PWM 輸出的電壓會攜帶一些高頻的諧波，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5-7]。針對PWM 逆變器輸出電壓諧波問題，通常的做法是在并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器后增加一個具有開關(guān)損耗小、穩(wěn)定性強、成本低的濾波器。文獻(xiàn)[8]構(gòu)建離散數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化LC 濾波器的設(shè)計，以解決LC 濾波器在高壓電力設(shè)備中存在濾波運算復(fù)雜的問題；文獻(xiàn)[9]提出一種狀態(tài)反饋的有源阻尼控制方法，以此來解決三相并網(wǎng)逆變LCL 濾波器中的諧振問題；文獻(xiàn)[10]探索在弱電網(wǎng)下LCL 濾波器參數(shù)優(yōu)化，提出包含數(shù)字延遲的并網(wǎng)逆變器下LCL 濾波原型。文中針對直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)PWM 逆變器輸出電壓諧波的問題，分析了包含存儲電池和微控制器的直流發(fā)電系統(tǒng)以及LCL 濾波逆變器的基本原理；然后對帶有微控制反饋電路的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及濾波器測電流反饋單環(huán)控制進(jìn)行了研究；最后對于濾波器測電流反饋的單環(huán)控制系統(tǒng)，完成根據(jù)諧振頻率可控范圍優(yōu)化的濾波器參數(shù)設(shè)計。

1 系統(tǒng)與原理分析

1.1 直流發(fā)電系統(tǒng)概述

化石能源的枯竭和日益嚴(yán)重的環(huán)境問題催生了新能源技術(shù)的發(fā)展。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將太陽光能[11]、海上風(fēng)能[12]等新能源轉(zhuǎn)換為電能，并在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行分布式并網(wǎng)發(fā)電，該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是將發(fā)電機的直流電轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)所需的交流電。圖1 所示為一個典型的包含存儲電池和微控制器的直流發(fā)電系統(tǒng)，直流發(fā)電機通過整流器完成直流變換和電能增強控制，然后經(jīng)過電纜傳輸給存儲系統(tǒng)和并網(wǎng)PWM 逆變器；并網(wǎng)PWM 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，通過控制開關(guān)將電能傳輸給負(fù)載和用電網(wǎng)絡(luò)；整個系統(tǒng)通過電力電子變換微控制器進(jìn)行控制，包括給存儲系統(tǒng)進(jìn)行充放電控制、控制整流器和逆變器以及調(diào)節(jié)輸出電能變換的控制，微控制器通常為數(shù)字微處理器芯片，其可以靈活控制電網(wǎng)電流轉(zhuǎn)換，從而提高直流發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使得系統(tǒng)更加智能化。

圖1 典型的直流發(fā)電系統(tǒng)

1.2 LCL濾波逆變器原理分析

直流發(fā)電系統(tǒng)中PWM 逆變器輸出的高頻諧波一般采用由電感L與電容C構(gòu)成無源輸出的濾波器進(jìn)行濾波，其結(jié)構(gòu)可以分為L 型、LC 型和LCL 型。三種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，結(jié)構(gòu)簡單的L型濾波器利用電感高阻抗的特性將高頻諧波過濾，但其成本高且動態(tài)性能較差；而LC 濾波器可以過濾特定諧波，通常由于無阻尼或者欠阻尼的狀態(tài)極易產(chǎn)生電磁干擾。目前普遍使用的是LCL 濾波器，該濾波器相較于前面兩種電感值更小，濾波性能也有大幅度的增強[13-16]。

圖2 無源輸出濾波器的三種類型

LCL 濾波器主要結(jié)構(gòu)包含了交流側(cè)電容C、逆變器側(cè)電感La和交流側(cè)電感Lb；由LCL 型濾波器的拓?fù)鋱D可以寫出其輸出電流Ib與輸出電壓Vo的傳遞函數(shù)：

根據(jù)傳遞函數(shù)可以繪制出LCL 濾波器的波特圖，如圖3 所示。LCL 濾波器相較于L 濾波器增加了濾波器電容，在高頻諧波出現(xiàn)時可以呈現(xiàn)出較高的阻抗，能有效抑制高頻諧波接入供電網(wǎng)絡(luò)。因此，LCL 濾波器適用于包含分布式電源、有控制系統(tǒng)的電力供電網(wǎng)絡(luò)。

圖3 LCL濾波器的波特圖

2 濾波器控制與參數(shù)設(shè)計

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)建模

在直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，文中以單相并網(wǎng)逆變器為研究模型，圖4 所示為帶微控制反饋電路的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中包含四個晶閘管S1-S4、電阻Ra和Rb、電感La和Lb、電容C、直流電源Vdc和交流輸出電壓Vac，V1為逆變輸出，vc為電容上的電壓，ic為經(jīng)過電容的電流，Us為交流電壓，i1和i2分別為逆變器輸出電流與濾波器的輸出電流。拓?fù)鋱D中濾波器輸出后的信號是通過數(shù)字信號處理芯片（Digital Signal Processing，DSP）來進(jìn)行控制和計算的，處理完成后將控制信號最終反饋給PWM 逆變器進(jìn)行晶閘管的打開與關(guān)斷。與此同時，由于DSP 處理的是數(shù)字信號，前期需要由檢測調(diào)理電路、信號采樣電路進(jìn)行信號采集，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸給DSP。

圖4 含微控制反饋的逆變器電路拓?fù)鋱D

2.2 單環(huán)反饋控制設(shè)計

采用單環(huán)控制可以解決直接閉環(huán)控制時LCL 濾波器難以減少諧波的問題，通過對LCL 濾波器輸出后的電流進(jìn)行反饋控制，完成系統(tǒng)的快速響應(yīng)。濾波器側(cè)電流反饋單環(huán)控制圖如圖5 所示，可以得出其開環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖5 濾波器側(cè)電流反饋單環(huán)控制圖

式中，KPWM是逆變器的等效傳遞函數(shù)。單環(huán)反饋控制通常采用微控制器進(jìn)行數(shù)字化控制，進(jìn)而使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

2.3 濾波器參數(shù)優(yōu)化

文中的濾波器參數(shù)設(shè)計主要涉及LCL 濾波器電路中的電感和電容值，需要綜合考慮衰減率等多種因素。此外，對于濾波器側(cè)電流反饋的單環(huán)控制系統(tǒng)，還可以根據(jù)諧振頻率可控范圍優(yōu)化濾波器參數(shù)，詳細(xì)的設(shè)計步驟如圖6 所示。首先選用合適的控制方式進(jìn)行諧振頻率和電流衰減比的選取，再檢查相關(guān)功率參數(shù)，最終完成電容和電感值的選擇。

諧振頻率在單環(huán)控制中被限制在0.5π～0.85π，諧振頻率確定后，則諧波電流衰減比與諧波次數(shù)的平方近乎成反比。電感值設(shè)計需要滿足由基波電壓壓降值帶來的下限值和并入電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)的上限值要求，所以總的電感值范圍為：

式中，P是逆變器輸出功率；Us為供電網(wǎng)絡(luò)有效電壓；f0為頻率；n為諧波發(fā)生次數(shù)；u(n)是逆變器側(cè)輸出電壓諧波幅值；l(n)為限制諧波幅值。其中，電容值限制條件如下所示：

式中，功率需要小于額定功率的5%。最終得到的參數(shù)設(shè)計結(jié)果如表1 所示。

表1 參數(shù)設(shè)計結(jié)果

3 仿真實驗

文中運用Matlab/Simulink 仿真工具建立了一個直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的實驗?zāi)Ｐ?，通過實驗對以上所提出的面向PWM 逆變器濾波器設(shè)計方案進(jìn)行可行性驗證。實驗中的模型參數(shù)設(shè)定如下：系統(tǒng)中直流發(fā)電機側(cè)輸出的直流電壓為700 V；用電網(wǎng)絡(luò)側(cè)輸出的交流電壓為220 V；開關(guān)頻率為3.2 kHz；而系統(tǒng)頻率為50 Hz。實驗過程中的頻譜分析結(jié)果如圖7 所示。實驗的總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）數(shù)據(jù)如表2 所示。文中的優(yōu)化方案在濾波側(cè)電流的THD 為1.02%，相較于逆變器側(cè)電流的THD 減少了4.61%；而傳統(tǒng)方法的濾波側(cè)電流THD 為1.87%，相較于逆變器側(cè)電流的THD 減少了3.11%。

表2 實驗數(shù)據(jù)比較

圖7 頻譜分析圖

綜合實驗分析可知，文中面向PWM 逆變器的濾波器設(shè)計相較于傳統(tǒng)方法具有更小的THD 值，可以使PWM 逆變器輸出更為平滑的交流電。

4 結(jié)束語

文中在帶有電力電子變換微控制器和存儲結(jié)構(gòu)的直流發(fā)電系統(tǒng)中，研究面向PWM 逆變器的濾波器設(shè)計方法，提出了一種可優(yōu)化諧振頻率的LCL 濾波器，根據(jù)直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真實驗結(jié)果可得出：與傳統(tǒng)方法相比，該優(yōu)化方法可以獲得更小的電感和電容值，總體的成本更低；所設(shè)計濾波器的THD 下降更大，有著良好的濾波效果。