張慧林+肖業(yè)偉

摘要：傳統(tǒng)的LCL型濾波器抑制高頻諧波的速度快， LLCL型濾波器內(nèi)有串聯(lián)諧振支路，能使開關(guān)頻率諧波旁路。針對三相逆變并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)電流的班開關(guān)頻率諧波問題和高頻諧波問題，本文提出一種新型的LCLCL型濾波器。通過在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上結(jié)合LCL型濾波器和LLCL型濾波器中的串聯(lián)諧振支路，并對濾波器參數(shù)進(jìn)行規(guī)范設(shè)計，以達(dá)到更好的濾波效果。最后進(jìn)行三相逆變并網(wǎng)仿真，驗證了LCLCL型濾波器優(yōu)越的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：LCLCL型濾波器；高頻諧波；參數(shù)設(shè)計

中圖分類號：TM46文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： The traditional LCL type filter can suppress the high frequency harmonics， and the LLCL filter can make the switching frequency harmonic bypass. In view of the class switching frequency harmonics and high frequency harmonics of the grid connected current of three-phase inverter， this paper proposes a new type of LCLCL filter. By combining the LCL type filter and the LLCL type filter in the series resonant branch， the filter parameters are designed to achieve a better filtering effect. Finally， three phase inverter simulation is carried out to verify the correctness and effectiveness of the LCLCL type filter.

Keywords： LCLCL filter； harmonic； parameter design

0 引言

隨著對電能質(zhì)量的提高和逆變器的發(fā)展，濾波器成為了目前的熱點研究對象之一。對于濾波器的研究，不僅需要在成本、效率等方面進(jìn)行考慮，同時為了保證電網(wǎng)的安全運行，對并網(wǎng)逆變器的電流質(zhì)量也提出了越來越嚴(yán)格的要求，并制定了詳細(xì)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE 1547-2008、UL1741等國際標(biāo)準(zhǔn)。這些國際標(biāo)準(zhǔn)從單次諧波含量、總諧波含量、直流分量和功率因數(shù)等方面對進(jìn)網(wǎng)電能質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求[1-4]。

隨著并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，并網(wǎng)逆變器也朝著高效率、低損耗等方面發(fā)展。L型并網(wǎng)逆變器成本低，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但濾波效果較差。若增大電感值改善濾波效果，又會增大濾波器的體積和成本，影響逆變器的動態(tài)響應(yīng)[5-6]。相對于L型濾波器，LCL型具有更好的高頻諧波衰減效果，能夠更好的改善電流質(zhì)量，然而LCL型濾波器

往往只考慮入網(wǎng)電流的總諧波畸變率大小，如需使開關(guān)頻率及其整數(shù)倍頻率的諧波分量達(dá)到電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，則需加大濾波器參數(shù)，從而增加了逆變器的成本。為了讓開關(guān)頻率諧波滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求，有學(xué)者提出了LLCL型濾波器結(jié)構(gòu)，LLCL型濾波器包含一個串聯(lián)諧振支路，用來旁路開關(guān)頻率諧波電流。但是LLCL型濾波器的高頻衰減速率為-20dB/十倍頻程，使得二倍開關(guān)頻率及其以上倍開關(guān)頻率難以滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，在現(xiàn)有濾波器的研究基礎(chǔ)上，分析探索新的濾波器拓?fù)?，對于改善并網(wǎng)電能質(zhì)量具有十分重要的指導(dǎo)意義以及應(yīng)用價值[7]。

為了達(dá)到電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對高次諧波的要求，在LLCL濾波器的研究基礎(chǔ)上，提出一種新型的LCLCL濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及參數(shù)設(shè)計該濾波器不僅具有旁路開關(guān)頻率諧波電流的優(yōu)點，同時也克服了二倍開關(guān)頻率及以上倍頻率諧波衰減速率低的不足。本文首先介紹LCLCL濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其特點；其次建立數(shù)學(xué)模型，分析濾波特性；進(jìn)而闡明參數(shù)設(shè)計步驟；最后，通過仿真驗證了本設(shè)計的良好的濾波特性。

1 數(shù)學(xué)模型

圖1為三相并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)?，圖2為其中一相的LCLCL型濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以看成由一個LCL濾波器和串聯(lián)諧振支路組成。

其中： 為逆變器輸出電壓； 為電網(wǎng)電壓； 為逆變器電感； 為網(wǎng)側(cè)電感； 為串聯(lián)諧振支路電感； 為串聯(lián)諧振支路電容； 為濾波電容； 為逆變器側(cè)電感電流、 為網(wǎng)側(cè)電感電流； 為諧振支路和濾波電容支路總電流。

由圖2可推導(dǎo)出濾波器并網(wǎng)側(cè)電流 相對于輸入電壓 的的傳遞函數(shù)，如式（1）所示。

其中，

2 LCLCL濾波器特性分析

由圖可知：

1）LCLCL濾波器具有一個負(fù)諧振峰，能有效濾掉一次開關(guān)頻率諧波，保留了LLCL濾波器的優(yōu)點；

2）LCLCL濾波器具有兩個正諧振峰，記為 ， ，同LLCL濾波器一樣，正諧振峰會導(dǎo)致系統(tǒng)諧振，為了有效地抑制諧振，可將阻尼電阻與諧振支路的濾波電容 進(jìn)行串聯(lián)，能有效減小LCLCL濾波器的正諧振峰峰值，從而抑制諧振；

3）從圖中可以看出，LCLCL濾波器的高頻諧波衰減速率為-60dB/十倍頻程，克服了LLCL濾波器在高頻段衰減速率低的不足；

4）LCLCL濾波器包括一個LC串聯(lián)諧振支路，同樣能旁路開關(guān)頻率諧波電流，保留了LLCL濾波器的優(yōu)點。

3 LCLCL濾波器參數(shù)設(shè)計

3.1 設(shè)計準(zhǔn)則

當(dāng)頻率小于2/3開關(guān)頻率時，LCLCL濾波器與LCL濾波器具有相同的相頻和幅頻特性。因此可參照LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計方法來設(shè)計LCLCL濾波器的總濾波電容 、橋臂側(cè)電感 、以及網(wǎng)側(cè)電感 。其余參數(shù) 、 、 根據(jù)本文提出的公式進(jìn)行設(shè)計。

下面以10kW三相逆變器為例，對濾波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。三相逆變器的參數(shù)如表1所示。

由上述結(jié)果可知，在相同參數(shù)條件下：LCLCL濾波器的開關(guān)頻率諧波幅值小于LLCL濾波器，說明LCLCL濾波器具有旁路開關(guān)頻率諧波電流的特性；LCLCL濾波器的二倍開關(guān)頻率諧波和三倍開關(guān)頻率諧波均要小于LLCL濾波器，說明LCLCL濾波器的高頻衰減特性要強于LLCL濾波器。上述仿真結(jié)果與理論分析保持一致，驗證了本文理論分析的有效性和正確性。

5 結(jié)論

本文提出了一種新的無源阻尼濾波器——LCLCL濾波器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看成由一個LCL濾波器和一個串聯(lián)諧振支路組成，給出了該新型濾波器的頻率特性分析和參數(shù)設(shè)計。將其應(yīng)用于三相逆變并網(wǎng)電路中，與LLCL濾波器對比，既具有LCL型濾波器-60dB/十倍頻程衰減速率的優(yōu)點，又具有LLCL型濾波器的對開關(guān)頻率多次諧波的陷波作用。因此在相同參數(shù)條件下，LCLCL濾波器能實現(xiàn)更好的濾波效果。

本文提出的新型濾波器應(yīng)用于三相并網(wǎng)逆變器中，取得了理想的效果。下一步研究將在LCLCL型濾波器的阻尼方法上展開，優(yōu)化濾波效果并減小阻尼電阻帶來的功率損耗。

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