光伏并網(wǎng)逆變器通用 LCL 濾波器的設(shè)計(jì).docx

光伏并網(wǎng)逆變器通用 LCL 濾波器的設(shè)計(jì)摘要：從光伏并網(wǎng)逆變器的實(shí)際特點(diǎn)出發(fā)，對逆變器 LCL 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。 從逆變器對濾波器的實(shí)際要求方面給出了 LCL 濾波器的設(shè)計(jì)步驟和方法，對 100 kW 三電平并網(wǎng)逆變器濾波器參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 同時(shí)，針對實(shí)際系統(tǒng)，應(yīng)用 MATLAB 仿真軟件對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用所提出的 LCL 濾波器的設(shè)計(jì)方法，光伏并網(wǎng)逆變器性能良好，從而驗(yàn)證了這種設(shè)計(jì)方法的正確性和合理性。關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)逆變器；濾波器；電流紋波；諧波引言伴隨著近年來全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增加，光伏并網(wǎng)逆變器的需求量也日益增多，電網(wǎng)電能質(zhì)量方面的要求迫使光伏并網(wǎng)逆變器在發(fā)電質(zhì)量等方面性能越來越好。 濾波器是光伏并網(wǎng)逆變器的重要組成部分，同時(shí)也是逆變器提高工作性能的重要環(huán)節(jié)。在光伏并網(wǎng)逆變器中，其常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示1，2，其主要組成部分有：直EMI 濾波器、逆變橋、濾波器、接觸器等。本文針對上述常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對逆變器的工作圖 1 三電平逆變器典型拓?fù)涮攸c(diǎn)和濾波要求進(jìn)行了分析，提出了該類濾波器的有效設(shè)計(jì)方法， 同時(shí)針對 100 kW 三電平并網(wǎng)逆變器的參數(shù)，設(shè)計(jì)了 LCL 濾波器，最后通過仿真驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性，表明了本文提出的濾波器設(shè)計(jì)方法的正確性。1 光伏并網(wǎng)逆變器對 LCL 濾波器設(shè)計(jì)的要求光伏并網(wǎng)逆變器的簡化模型如圖 2 所示，其主要功能是為電網(wǎng)注入能量，保證注入電流 Ig的電能質(zhì)量。 因此對濾波器的要求主要有以下幾個(gè)方面：諧波、電流紋波、成本、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 1.1 電流紋波方面輸出電流紋波的計(jì)算方法在多種文獻(xiàn)中提到，在參考文獻(xiàn) 3,4 中， 電流的紋波公式一般應(yīng)用于BUCK 電路中輸出電壓被控制的場合， 在逆變器中輸出控制電流， 逆變器的輸出電壓是電網(wǎng)電壓，與輸入電壓的關(guān)系與 BUCK 電路的公式不同。逆變器輸出電流的紋波主要因?yàn)槟孀儤蜷_關(guān)過程中，電感兩端電壓 VL的不斷變化造成的。I=VL/LT (1)在 IGBT 開通和關(guān)斷時(shí)，VL不同。定義開關(guān)函數(shù)S：S=1，IGBT 開通；S=0，IGBT 關(guān)斷。根據(jù)上面定義，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)以及后面計(jì)算可知，Lg電感量一般小于 Lf，Lg甚至為線纜電感，因此其壓降很小， 同時(shí)考慮到其輸入端有濾波電容，因此可以近似認(rèn)為 VCf電壓近似為電網(wǎng)電壓， 因此可以得到電感 Lf兩端電壓 VL的公式為：VL=VDC2s-VGsin(t) (2)其中， 是電網(wǎng)角頻率。在光伏并網(wǎng)逆變器中，正常工作時(shí)一般要求功率因數(shù)為 =0.99，這里可以近似為 1。由于控制量與電網(wǎng)相位差 很小，對結(jié)果影響不大，為便于分析，本文忽略 0影響，因此:T=Msin（t） (3)其中，M 是 SVPWM 發(fā)波的調(diào)制度，并且滿足M=VG2VDC (4)聯(lián)立公式（1）、（2）、（3）可得：數(shù)學(xué)推導(dǎo)中，當(dāng) t 滿足式（6）時(shí)，電流紋波最大值如式（7）所示。從式（7）可以得出，電流紋波最大值如式（8）所示。從上面結(jié)果可以得出，電流紋波最大值并不是出現(xiàn)在電網(wǎng)電壓峰值上，而是隨著母線電壓的不同而不同，當(dāng)母線電壓為最大值時(shí)，紋波電流最大。 總輸出電流如圖 4 所示。1.2 諧波方面根據(jù)參考文獻(xiàn)5國家電網(wǎng)對逆變器的諧波輸出的要求為：THD5%, 并網(wǎng)光伏逆變器必須滿足上述要求。 降低逆變器諧波的方法一般有兩種，一種是通過控制參數(shù)及發(fā)波的方式降低諧波。 另一種是通過合理設(shè)計(jì)濾波器濾除諧波。 本文的方法是針對后者進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過公式（8）給出電流紋波計(jì)算公式，根據(jù)實(shí)際需要的紋波電流百分比，可以得到電感的一個(gè)取值范圍。在此基礎(chǔ)之上，需要設(shè)計(jì)電感 Lf，Lg。 首先分析逆變器的諧波源。 對圖 2 所示的簡化結(jié)構(gòu)，逆變器側(cè)的電壓如式（9）所示：VA=VDC2S(t) (9)式中：S(t)是開關(guān)函數(shù)，其隨時(shí)間變化而變化，根據(jù)參考文獻(xiàn)6可以得到，開關(guān)函數(shù)如下：上式中，第一項(xiàng)是基波部分，第二項(xiàng)是高頻部分，也是分析的重點(diǎn)，定義其如下根據(jù)參考文獻(xiàn)6中的賽貝爾公