LCL濾波器原理及參數性能

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LCL濾波器原理及參數性能

發表於 2017-12-08 16:22:14

　　LCL濾波器參數性能

　　光伏併網逆變器輸出的併網電流中含有大量的諧波，這些諧波會導致電能質量的惡化，繼而引發大規模的事故。因而濾波器的設計對於改善電能質量尤為重要。就現階段而言，LCL濾波器的設計方法也層出不窮。文獻［1］提出了分裂電容法，將LCL型濾波器的中間旁通電容分成並聯的前後兩部分，取兩電流的加權平均值的方法;文獻［2］根據濾波器的限制條件來確定具體參數範圍，但是具有很強的經驗性不利於設計;文獻［3］中利用被動阻尼比的方法進行相關驗證等均存在相應的缺點。本文依據LCL 型濾波器中濾波總電感值L1 + L2 與濾波電容C2 兩者之間的關係提出了一種在濾波電容以及總電感值較低且不變的情況下，通過改變濾波電感L1 ，L2 的值即當濾波電感L1 大於濾波電感L2 時設計出滿足併網要求且諧波含有量較少的濾波器。並且通過實驗驗證了在濾波電容以及總電感值較低且不變的情況下，濾波電感L1 大於濾波電感L2 的濾波效果明顯優於濾波電感L2 大於濾波電感L1 所設計的LCL濾波器。

　　1 三相併網逆變器拓撲結構

　　圖1 為三相併網逆變器的拓撲結構圖，iPV 為直流電流，Cdc 為直流母線電容，Ud 為直流母線電壓;VT1~VT6為三相逆變的6個IGBT橋臂。R1 ，R2 分別為兩側濾波電感的內阻。該拓撲結構中LCL型濾波器的傳遞函數可以表示為如下：

　　

　　2 濾波器參數性能分析

　　由於LCL濾波器在抑制諧波方面效果顯著，故本文就LCL濾波器的參數性能進行相關比較，最後設計出一種滿足併網要求且諧波抑制最為顯著的濾波器。依據圖1所示的併網逆變器拓撲結構中濾波電感L1 、L2 和濾波電容C2 ，通過Matlab 仿真得到LCL 型濾波器中濾波總電感值L1 + L2 與濾波電容C2 兩者之間的關係如圖2 所示，並且可以看出：在濾波電容C2 值越大的時候，L1 + L2 總電感量值越小。

　　

　　圖1 三相併網逆變器併網拓撲結構

　　

　　圖2 濾波器中C2 與L1 + L2 之間的關係

　　依據上述仿真結果，本文在保持濾波電容、總電感值較小且不變的情況下，通過改變L1 ，L2 進行相關性能比較，最後提出在濾波電容C2 值以及L1 + L2 總電感量值不變的情況下，L1 電感值大於L2 電感值的時候，此時LCL濾波器的性能達到最優。並且依據濾波器的限制條件對濾波器的參數進行如下設計：

　　（1）諧振頻率可以表示為：

　　

　　在已知諧振頻率的前提下可以求出濾波電容C2 ，而C2 吸收的無功功率不能大於系統額定有功功率的5%，此處選取2%的無功功率;可以得到：

　　

　　式中：Pn 為併網逆變器輸出的額定有功功率;ug 為相電壓有效值;f1 為電網基波頻率。

　　（2）LCL 濾波器總的電感所產生的阻抗壓降小於正常額定工作情況下電網電壓的10%;由式（2）以及上述推導可以得到：

　　

　　3 實驗驗證

　　在額定容量10 kVA的單相併網逆變器樣機上其電路拓撲如圖1所示，給定電網額定電壓230 V，直流電壓580 V，調製頻率5 kHz，並且保持濾波電容C1 為20 μF且總電感值L1 + L2 為2.5 mH 不變的情況下，通過改變L1 ，L2 的參數進行相關比較實驗，分別得到了逆變電壓以及併網電流的波形圖如圖3所示。

　　

　　

　　圖3 實驗波形

　　通過上述實驗可以明顯看出在濾波電容、總電感值不變的情況下，當濾波電感L1 大於L2 的時候相比L2 大於L1 時所設計的LCL 濾波器的實際性能更加優越，即逆變器逆變輸出電壓以及併網電流的電能質量更加優化。

　　LCL 型濾波器原理分析

　　LCL 型濾波器所需的總電感量比L 型濾波器小得多，並逐漸應用於大功率、低開關頻率的併網逆變器設備。由於LCL 濾波器本身是一個三階諧振電路，設計時需要確定三個參數。各個參數對其濾波性能有著重要的影響。

　　圖 1 為逆變器通過LCL 型濾波器接入電網的示意圖，假設LCL 均為無損耗理想元件，忽略電阻。其中uinv 為逆變器橋輸出電壓，採用SPWM 控制時，uinv 主要以基波為主，並含有開關頻率及開關頻率倍頻附近的高次諧波。

　　與L 型濾波器相比，LCL 濾波器是利用了電感與電容對不同頻率分量所呈現阻抗的差異性的特點，濾波器增加了濾波電容Cf 和網側濾波電感L2，高頻情況下電感支路的阻抗大，而電容支路阻抗則小，引入L2 和Cf 後可對含有高次諧波的逆變器橋輸出電流iinv 進行並聯阻抗分流，濾波電容Cf 為高頻部分提供低阻通路，從而有效降低注入電網電流ig 中的諧波電流分量。

　　結語

　　本文根據LCL濾波器L1 + L2 ，C2 兩者之間的關係，提出了一種在濾波電容以及總電感值較低且不變的情況下，通過改變濾波電感L1，L2 的值設計出滿足併網要求且諧波抑制最為顯著的濾波器。最後在10 kVA的單相併網逆變器樣機上驗證了當濾波電感L1 大於L2 的時候，LCL濾波器的實際性能更加顯著。

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