三相光伏并網(wǎng)逆變器濾波器研究

馬雄倉

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三相光伏并網(wǎng)逆變器濾波器研究

馬雄倉

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

新能源光伏并網(wǎng)發(fā)電需要將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，然后輸送到電網(wǎng)上。并網(wǎng)逆變器由于本身工作特性含有大量的諧波，因而濾波器的設(shè)計(jì)對于改善電能質(zhì)量尤為重要。在建立三相并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，給出了LCL濾波器的設(shè)計(jì)方法，分析并比較其與單L濾波器和LC濾波器的效果，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)。

并網(wǎng)逆變器 LCL濾波器 LC濾波器 L濾波器 諧波抑制

0 引言

光伏作為電力系統(tǒng)能源的一種補(bǔ)充，新能源并網(wǎng)發(fā)電將會成為未來主要的發(fā)展趨勢[1]。然而并網(wǎng)逆變器一般采用高頻SPWM調(diào)制，導(dǎo)致大量的高次諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)，這樣會對電網(wǎng)中其他EMI敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾，因此并網(wǎng)變換器交流側(cè)輸出濾波器的選擇與設(shè)計(jì)尤為重要。

1 L濾波器

光伏并網(wǎng)逆變器輸出的電壓電流中含有大量的高次諧波，這些諧波會導(dǎo)致整個電網(wǎng)電能質(zhì)量的惡化，甚至損壞；所以濾波器的選擇與設(shè)計(jì)很重要[2]。濾波器不僅只有常見的LC濾波器，還有L型濾波器和LCL型濾波器，不論怎樣的濾波器都是為了用來濾除開關(guān)頻率及數(shù)次諧波。圖1所示為L濾波器的三相光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，此濾波器的逆變器是橋式逆變器，采用了三線制三橋臂[3]。輸入U可以看做是理想的直流電壓源，在輸出交流側(cè)接有一個L濾波器。

為了簡化分析拿出一相，其濾波器等效圖為圖2：

以電感電流可得方程：

將式1經(jīng)拉氏變換可得：

(2)

由式2可以畫出L型濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示：

由于電感L的阻值R較小可以忽略，可求得傳遞函數(shù)為：

(3)

從以上分析推理可以看出，控制器選擇靈活，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；但L濾波器的濾波范有限，對控制器本身的算法和性能要求較高，成本也較高。在一般光伏并網(wǎng)中很少使用。

2 LC濾波器

在實(shí)用光伏系統(tǒng)中，光伏逆變器獨(dú)立或并網(wǎng)雙模式運(yùn)行時有時采用LC型低通濾波器，以消除開關(guān)頻率附近的高次諧波，從而獲得良好的正弦電壓電流波形。一般情況，LC濾波器的截止頻率在SPWM逆變器中要遠(yuǎn)低于開關(guān)器件的開關(guān)頻率[4]。因此，LC濾波器對于輸出電壓電流的高次諧波具有一定的衰減作用。設(shè)計(jì)時濾波器的截止頻率一般以開關(guān)頻率為參照，取其1/10～1/5左右，當(dāng)電容值選擇較大，則輸出電壓更穩(wěn)，但基波電流值也會相應(yīng)增大，逆變器的負(fù)載電流也會隨之增加。逆變器低頻時輸出阻抗要小，濾波電感L就應(yīng)盡量小，但會增加濾波電感的諧波電流，同時必須選較大濾波電容才有可能獲得較好的濾波效果。下圖4為帶有LC濾波器的三相逆變器拓?fù)洹?/p>

不計(jì)電感和電容電阻及線路上的阻抗，可得濾波器輸出電壓V0相對于逆變橋輸出電壓Vi的傳遞函數(shù)為：

當(dāng)光伏逆變器系統(tǒng)獨(dú)立供電時，則傳遞函數(shù)為：

從波特圖6中可以看出，濾波器截止頻率大于逆變器的開關(guān)頻率(10 kHz)，開關(guān)紋波會對輸出的電壓電流產(chǎn)生高次諧波，波形出現(xiàn)畸變。如果將這樣質(zhì)量的電壓電流并網(wǎng)將不能滿足波形畸變小于5%的要求；所以有必要對濾波器再改進(jìn)。

3 LCL型濾波器

3.1 理論推導(dǎo)

圖3-1為三相光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖濾波環(huán)節(jié)為LCL濾波器[5]。

為分析方便，取其一路可等效為：

上式為圖7逆變器的狀態(tài)方程其中：電感L1的電流, C1電容的電壓為，電感L2上的電流。

式6經(jīng)拉氏變換可得：

上式7繪出其控制邏輯框圖，如圖9：

將圖9以傳遞函數(shù)關(guān)系式表示：

3.2 設(shè)計(jì)方法

為分析方便，取其一路不考慮濾波器電感的電阻和線路阻值，也就是和為零[7]，可得輸出電壓與函數(shù)：

改寫為開環(huán)函數(shù)：

(10)

使=，在復(fù)頻域：

得出幅頻關(guān)系為：

(12)

式(12)為干擾量，為待濾除干擾頻率，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，濾波器中電感L、電感L、電容的取值主要考慮兩方面[8]：

1)濾波器對并網(wǎng)電壓電流諧波抑制效果。

2)諧振頻率的大小。

2)電容值的影響要小于功率容量的5%～10%，功率小百分比小，功率大則百分比適當(dāng)變大，電容值的選取和功率因數(shù)有關(guān)，電容值大則功率因數(shù)值小。

3)濾波器諧振頻率應(yīng)在500 Hz到開關(guān)頻率的一半之間，這樣電流控制特性才可得以保證。同時諧波電流要小于額定值的20%。

其中net為電網(wǎng)基波頻率，f為開關(guān)頻率。

例現(xiàn)有逆變電路電壓為380 V功率10 kVA，濾波器電感值為，紋波電流應(yīng)小于額定電流的15%。

(14)

在逆變系統(tǒng)中，濾波電容的無功功率一般要低于總功率的10%，因?yàn)閄c變小無功功率將變大，系統(tǒng)效率隨之降低。式(15)中，f為電網(wǎng)頻率50 Hz，P為逆變器輸出功率[12]。

下面來分析諧振頻率，由上面第三條濾波器諧振頻率應(yīng)在500 Hz到開關(guān)頻率的一半之間，取，的值在4～6之間，此處取。

由于開關(guān)頻率為10 kHz左右，3343 Hz在500 Hz與10 kHz之間滿足要求。

3.3 仿真結(jié)果

由以上參數(shù)設(shè)計(jì)，在matlab中分別搭建LC濾波器和LCL濾波器光伏逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)，取相同參數(shù)時如下圖10。

由圖10和圖11可知，LCL濾波器對高次諧波抑制效果更好，我們對比LC濾波器和LCL濾波器，在并網(wǎng)系統(tǒng)中，我們則選擇LCL濾波器。

在實(shí)際使用時，我們還要通過增加無源阻尼或數(shù)字控制技術(shù)來抑制諧振尖峰，從圖11中幅頻特性曲線在接近諧振頻率時有一個很高的諧振尖峰，在逆變器并網(wǎng)的動態(tài)狀況下，容易使輸出電壓電流波形的畸變，其原因就是逆變器阻值較小。所以我們通過在電路中加入無源電阻來抑制流波形的畸變，其阻值一般取諧振頻率電容阻抗的1/3。圖12就是加入電阻來抑制諧振尖峰。

傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>

圖13可以看出加入電阻后諧振尖峰得到了明顯的抑制，由于加入電阻，也會有相應(yīng)的損耗，但由于解決了輸出波形動態(tài)畸變，且方法簡單，成本較低，是可以采用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖14和圖15與圖16和圖17，三相ABC并網(wǎng)電流實(shí)驗(yàn)波形，可看出在未用LCL 濾波器時電流波形畸變嚴(yán)重，不能達(dá)到THD要求小于5%，不具備并網(wǎng)要求。圖16電流波形正弦，很規(guī)則，圖17的諧波頻譜分析可以看出20次諧波以后幾乎完全被濾除，且波形畸變度THD 僅為1.21%。

5 結(jié)論

本文建立了L濾波器、LC濾波器和LCL濾波的三相逆變器數(shù)學(xué)模型，從理論和實(shí)驗(yàn)中做了對比和分析，詳細(xì)介紹了LCL濾波器設(shè)計(jì)方法和注意事項(xiàng)，采用無源阻尼方法來抑制諧振尖峰，通過三相并網(wǎng)逆變器證了設(shè)計(jì)可行。最后得出采用無源阻尼LCL濾波器的三相并網(wǎng)逆變器有較高的工程可行性和實(shí)用性。

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Research on Filter for Three-phase Photovoltaic Grid-connected Inverter

Ma Xiongcang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM465

A

1003-4862（2016）11-0067-05

2016-08-13

馬雄倉(1982-), 男，工程師。研究方向：電力電子技術(shù)。