冯家铨;陈堂贤
【摘 要】目前,国内外对LCL型滤波器参数设计的研究正在进行中,但是这些研究并不适用于空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM),针对三相并网逆变系统中的开关动作方案,提出一种适用于SVPWM的三相并网逆变器LCL型滤波器的参数设计方法,并介绍一种针对SVPWM进行优化的LCL型滤波器的设计方法.通过开关状态对电网侧电流的纹波分量进行数学分析,得到逆变器侧电感参数,根据无功功率吸收比来选择滤波电容器参数,利用输出电流纹波衰减系数对电网侧电感参数进行设计.将测得的实际电流的畸变率与目标电流的畸变率进行比较,所得的误差在允许的范围内,验证了所提出方法的可行性,并通过仿真验证了该LCL型滤波器设计方法的有效性.
【期刊名称】《电力科学与工程》
【年(卷),期】2019(035)002
【总页数】6页(P44-49)
【关键词】空间矢量脉宽调制;LCL型滤波器;纹波分量
【作 者】冯家铨;陈堂贤
【作者单位】三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002
【正文语种】中 文
【中图分类】TM743
0 引言
近来，为了取代化石能源和核能，人们越来越关注太阳能和风能等可再生能源。可再生能源，如太阳能的主要利用方式是光伏并网发电，而光伏并网发电的核心装置是并网逆变器。然而，逆变器的输出电流不仅具有基波，而且具有开关频率的整数倍的谐波[1]。谐波分量受到诸如IEEE-519和IEEE-1547等标准的。
为了满足标准，L型滤波器已经被广泛运用在并网系统中，但是如果系统的容量增加，L型滤波器的容量也要相应的增加来减少谐波分量，这样会导致滤波器的尺寸和价格上升。另外，电感增大会对动态响应速度和电压造成影响。
另一方面，LCL型滤波器可以降低滤波器的成本和体积。而且LCL型滤波器的谐波降低效果要好于L型滤波器。虽然LCL型滤波器具有这些优点，但LCL型滤波器的设计过程复杂[2-3]。此外，如果滤波器设计不好就会导致输出电流出现谐振，这样就必须采用有源阻尼来补偿谐振[4]。有关LCL型滤波器设计的文献主要集中在改变LC参数的影响上[5-6]。但是，额外的LC参数由逆变器侧的电感值L1决定，因此，准确设计逆变器侧电感值就显得非常重要。另外，系统的切换方法对于滤波器的设计也是至关重要的。决定逆变器侧的电感的电流纹波受到切换方法的影响。有许多用于控制三相并网逆变器的开关技术，如正弦脉宽调制(SPWM)、不连续脉宽调制(DPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。因此，根据切换方法，有必要对LCL型滤波器进行优化设计。
本文提出了适用于SVPWM的LCL型滤波器优化设计方法。SVPWM是使用偏移注入方法实现的。在仅使用L型滤波器的情况下，可以通过分析输出电流来设计逆变器侧电感。网侧电感可以通过电流纹波衰减率来设计。电流纹波衰减率定义为逆变器侧输出电流THD与电网侧输出电流THD的比值。考虑无功功率的吸收，对滤波电容器参数进行设计。通过仿真验证了所提出的滤波器设计方法的可靠性。
1 LCL型滤波器的设计
三相光伏并网逆变器的拓扑结构如图1所示。
图1 三相光伏并网逆变器拓扑
图中三相逆变桥由6个IGBT开关管组成；Li(逆变侧电感)、Cf、Lg(网侧电感)构成LCL滤波器；Cdc为光伏发电输出侧稳压滤波电容。
1.1 三相逆变器系统的设计
SVPWM是三相逆变器开关使用较广泛的方法[7]。另外，通过偏移注入法可以容易地实现SVPWM。参考相电压可以表示为
(1)
式中：是参考相电压；Mi是调制指数；Vdc是直流侧电压。
偏移电压使最电压的绝对值和最电压相等。因此，注入偏移电压法可以在SVPWM下运行。允许SVPWM操作的注入偏移电压可以定义为
(2)
最后，参考极电压得到如下：
(3)
如图2所示，参考极电压由参考相电压和失调电压之和构成。出于这个原因，调制指数范围扩大了。
图2 SVPWM调制方式的偏移电压和参考电压
1.2 逆变器侧电感的设计
逆变器侧滤波电感Li的设计方法可以通过电流纹波系数确定。电流纹波系数RF可以用电流纹波Iripple和系统额定电流Irate之比表示。RF表示为
(4)
通过使用等式(4)可以获得滤波器的电感值。流过Li的纹波电流是根据逆变器输出相电压的电平和有效时间确定的。有效时间根据切换操作确定，如图3所示。
图3 三相极电压的有效时间
图3显示了一个周期内每个相位开关的有效时间。开关动作是通过比较三角载波和参考极电压之间的大小来确定的。出于这个原因，有效的时间可以计算为
(5)
式中：Ta,Tb,Tc是各相开关的有效时间；Ts是控制周期。
如图4所示，输出相电压和平均电压的波形被分成了4个区域。电感中的电压由逆变器输出相电压和电网相电压之间的差值表示。电网相电压ea可以如下获得：
(6)
如图4所示，逆变器的输出相电压为五电平。电感器中施加的电压由时间的变化而变化。因此，可以通过电感器上的施加电压和有效时间来获得电流纹波。
图4 三相逆变器的输出相电压
电感电流会随着输出相电压变化。另外，电感电流的大小由输出相电压波形决定。输出相电压分为4个区域。这4个地区是相互对称的。因此，可以确定区域I和区域II中的电流纹波的RMS值。输出相电压(-2/3 Vdc，-1/3 Vdc，0 Vdc，1/3 Vdc和2/3 Vdc)对有效时间有影响。确定的有效时间如表1所示。
图5和图6表示出了响应于每个区域的逆变器输出相电压的电流纹波的形状。在区域I和IV的半周期中，通过在T0期间插入0 Vdc，在T1期间插入(1/3)Vdc和在T2期间插入(-1/3) Vdc来确定电流纹波的最大值。决定电流纹波最大值的逆变器输出相电压的电平为(1/3) Vdc。可以通过图5来证明。
表1 各相输出电压的有效时间区域输出电压有效时间I0VdcT0Tb1/3VdcT1Ta-Tb-1/3VdcT2Tc-TaII0VdcT0Tb2/3VdcT1Ta-Tc1/3VdcT2Tc-TbIII0VdcT0Tc2/3VdcT1Ta-Tb1/3VdcT2Tb-TcIV0VdcT0Tc1/3VdcT1Ta-Tc-1/3VdcT2Tb-Ta
图5 I, IV区域的电流纹波
图6 II, III区域的电流纹波
区域II和区域III电流纹波的最大值与区域I和区域IV相似。通过在T0期间插入0 Vdc，在T1期间插入(2/3) Vdc和在T2期间插入(1/3) Vdc来确定。决定电流纹波最大值的逆变器输出相电压的电平为(2/3) Vdc和(1/3) Vdc。可以通过图6来证明。
因此，每个区域的电流纹波的最大值可以定义为：
(7)
确定的电流纹波的最大值具有对称的结构。图7所示为电流纹波和放大的电流纹波。放大的电流纹波看起来像高频的三角波。因此，需要电流纹波的绝对值来确定高频近似于三角波的电流纹波的RMS值。因此，可以通过积分三角波的有效值来计算电流纹波的有效值[8]。
(a)逆变器侧电流；(b)电流纹波；(c)放大的电流纹波图7 在一个周期内使用LCL滤波器的输出电流波形
电流纹波的RMS值可以表示为：
(8)
将式(6)(7)代入式(8)，导出下面的等式：
(9)
当：
系统的额定电流取决于：
(10)
通过等式(4)(9)和(10)，Li可以表示为：
(11)
调制指数Mi和基准电感Lb表示为：
(12)
(13)
1.3 滤波器电容设计
额定条件下的基准电容Cb和滤波器电容Cf可以定义为：
(14)
Cf=xCb
(15)
式中：En是电网线电压；Pn是三相功率；fn是线路频率。当无功功率吸收率很大时，由于增加了通过逆变器侧电感的电流，所以损耗会增加。另一方面，当无功功率的吸收率很小时，需要额外在逆变器侧电感和电网侧电感中增加电感器。因此，一般在5%以内设定合适的值[9]。
1.4 网侧电感设计
Lg由基准电流纹波减少率r和Li决定。Lg可表示为：
Lg=rLi
(16)
式中：r可以通过使用逆变器侧电流纹波ii和电网侧电流纹波之间的关系来确定[9]。
1.5 谐振频率
谐振频率fres由设计的滤波器参数确定。可以表示为
(17)
与L型滤波器不同，LCL滤波器具有谐振分量。为了避免谐振频率所造成的谐振尖峰的影响，谐振频率被在线路频率的10倍和开关频率fsw的1/2之间[10]。
2 仿真结果
设计的LCL滤波器的性能通过MATLAB的SIMULINK进行仿真验证。系统参数如表2所示。为了将逆变器侧电流的目标THD设计为5%，通过公式(11)确定逆变器侧滤波电感为0.8 mH。设定无功功率吸收率为2.67%时，滤波电容可以设计为4.4 μF。为了达到THD1.4%，电网侧电感可以设计为0.4 mH。
表2 系统参数参数值额定输出功率/kW3电网线电压有效值/V220直流母线电压/V400电网频率/Hz50开关频率/kHz10逆变器侧电流畸变率/%5电网侧电流畸变率/%1.4逆变器侧电感Li/mH0.8滤波电容Cf/μF4.4电网侧电感Lg/mH0.4
如图8(a)所示，逆变器侧电感电流ii的THD为4.93%。设计的LCL滤波器的输出电流如图8(b)所示，电网侧电感电流ig的THD为1.57%。因此，所提出的设计方法可行，误差为0.17%。图8(c)和(d)分别显示了逆变器侧电流和电网侧电流的FFT分析波形，说明谐波是在开关频率整数倍处产生的。此外，由电网侧电流ig可以看出谐波基本上被抑制。
(a)逆变器侧电流；(b)电网侧电流；(c)逆变器侧电流的FFT分析；(d)电网侧电流的FFT分析图8 LCL滤波器的电流仿真波形
3 结论
本文提出了一种采用SVPWM的三相并网逆变器的LCL滤波器参数设计。通过对电流纹波进行分析，给出了逆变器侧电感参数的设计方法，提高了滤波器设计的精度。通过实际电流THD和
目标电流THD之间的改进，验证了所提出的LCL滤波器设计方法的正确性。仿真结果表明了该设计方法的有效性。
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