玄兆燕，賈萬泳，景會成，趙 欣

(1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210； 2.華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210； 3.唐山市拓又達(dá)科技有限公司，河北 唐山 063020)

0 引言

為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，世界各國都對并網(wǎng)電流、電壓等提出了嚴(yán)格要求，并由此制定的相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)有UL1741[1]和IEEE Std 929—2000[2]，其從諧波含量、頻率偏差等多方面對進(jìn)網(wǎng)電流質(zhì)量做了限定，保證了進(jìn)入電網(wǎng)的電流符合并網(wǎng)要求，從而提高用電安全。

并網(wǎng)逆變器一般都采用脈寬調(diào)制(PWM)控制策略，從而產(chǎn)生高頻開關(guān)諧波，因此需要在交流側(cè)串入濾波器進(jìn)行濾波。常用的濾波器結(jié)構(gòu)有L、LC和LCL三種，它們的濾波性能和諧振抑制效果各有優(yōu)缺點。文獻(xiàn)[3]指出，為了減小電流紋波，采用L濾波器需增大電感，從而導(dǎo)致濾波器體積增大，成本增加。文獻(xiàn)[4]指出，采用LC濾波器能有效抑制諧波和浪涌電流，但是其控制參數(shù)的取值差異會對濾波器動、靜態(tài)特性帶來很大影響。文獻(xiàn)[5]指出，在相同濾波效果的情況下，LCL濾波器所需的總電感比L濾波器小，適合于大功率、開關(guān)頻率低的并網(wǎng)設(shè)備。本文在各濾波器模型的基礎(chǔ)上，對比分析了各濾波器的特點，并對LCL型濾波器進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的濾波器性能更好，更適合實際應(yīng)用。

1 濾波器設(shè)計

1.1 L濾波器

并網(wǎng)逆變器的PWM控制技術(shù)雖然提高了控制精度，使控制策略變得靈活、動態(tài)響應(yīng)快，但同時也引入了高頻開關(guān)諧波。為了在濾除諧波的基礎(chǔ)上節(jié)約成本，選擇合適的濾波器就顯得尤為重要。L濾波器以其結(jié)構(gòu)簡單，控制方便著稱。圖1為L濾波器的三相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)示意圖。

為簡化分析，以單相逆變器為例進(jìn)行分析，其等效結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

由基爾霍夫電壓定律可得：

(1)

其中：ui為濾波器側(cè)電壓；L1為電感；ug為網(wǎng)側(cè)電壓；i1為電感電流。

圖1 L濾波器的三相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖2 L濾波器單相結(jié)構(gòu)

將式(1)取拉氏變換，可得其傳遞函數(shù)為：

(2)

由分析可知，L濾波器控制簡單，可調(diào)范圍小，故在精確控制中很少使用。

1.2 LC濾波器

LC濾波器是在L濾波器的基礎(chǔ)上并聯(lián)一個電容，分流諧波電流，使濾波更徹底。其濾波特性主要由諧振頻率決定，其諧振頻率為：

(3)

其中：C1為濾波電容。

由圖4可得：

(4)

其中：ig為網(wǎng)側(cè)電流；ic為電容電流。

圖3 LC濾波器電路模型圖4 LC濾波器單相結(jié)構(gòu)

忽略電網(wǎng)阻值，式(4)經(jīng)拉氏變換可得LC傳遞函數(shù)為：

(5)

1.3 LCL濾波器

LCL濾波器具有比L濾波器更好的濾波特性，同時兼顧高頻段增益與低頻段衰減；相對于LC濾波器多串聯(lián)一個L，能夠使開關(guān)次諧波更容易流向濾波電容，抑制諧波的產(chǎn)生。圖5為LCL濾波電路模型，其單相結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 LCL濾波器電路模型圖6 LCL濾波器單相結(jié)構(gòu)

由圖6可得：

(6)

其中：L2為濾波電感；i2為濾波電流。

由式(6)可得其傳遞函數(shù)為：

(7)

其諧振頻率為：

(8)

為了抑制LCL濾波器的諧振，通常將濾波器的諧振頻率最好設(shè)計在10倍基頻和0.5倍開關(guān)頻率之間，即：

(9)

其中：fn為基波頻率；fsw為開關(guān)頻率。

電容的容抗越小，無功功率越大，通常電容的無功功率被限制在系統(tǒng)額定功率的 15%以內(nèi)，即：

(10)

其中：P為輸出功率；U為電網(wǎng)電壓。

在LCL的三個參數(shù)中，一定范圍內(nèi)，無論增加哪一個，都可以得到比原來更好的濾波效果。由于濾波電容在成本和體積上都優(yōu)于電感，所以選用最大電容，即：

(11)

為了分流紋波電流，使更多的高頻分量流過電容，在設(shè)計的濾波器中，C1的容抗XC1遠(yuǎn)小于L2的感抗XL2,一般為XC1=(0.1～0.2)XL2。

2 分析與優(yōu)化

圖7 L濾波器Bode圖圖8 LC濾波器Bode圖圖9 LCL濾波器Bode圖

由圖10可得無源濾波傳遞函數(shù)為：

(12)

圖10 無源濾波結(jié)構(gòu)示意圖

無源濾波優(yōu)化后的Bode圖如圖11所示?？梢钥闯觯捎脽o源濾波方法后，可以有效削減諧振尖峰，雖然使損耗增加，但無諧振后，輸出電流質(zhì)量提高，達(dá)到并網(wǎng)要求，也是一種可取的方法。

3 結(jié)語

建立了L濾波器、LC濾波器、LCL濾波器模型，對比分析了各濾波器的優(yōu)缺點以及LCL濾波器的改進(jìn)措施；證明了LCL的優(yōu)越性，但對于其產(chǎn)生的諧振還需進(jìn)一步研究。

圖11 無源濾波優(yōu)化后的Bode圖

參考文獻(xiàn)：

[1] UL 1741:Inverters,converters,and controllers for use in independent power systems[S].[s.l.]:Underwriters Laboratories Inc(UL),2001.

[2] IEEE Std 929-2000:IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic(PV) systems[S].[s.l.]:IEEE Standards Coordinating Committee,2000.

[3] 杜少武,趙欽,張勝.太陽能并網(wǎng)輸出LCL濾波器的設(shè)計[J].電力電子技術(shù),2009(11):16-17，65.

[4] 伍家駒,王祖安,劉斌,等.單相不控整流器直流側(cè)LC濾波器的四維可視化設(shè)計[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2011(36):53-61，241.

[5] 劉飛,查曉明,段善旭.三相并網(wǎng)逆變器LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計與研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2010(3):110-116.

[6] 何亮,王勁松.三相PWM逆變器輸出LC濾波器設(shè)計方法[J].電氣傳動,2013(12):33-36.