LCL滤波器参数性能的比较-陆庆

现代电子技术ModernElectronicsTechnique2015115382Jan.2015Vol.38No.20引言伴随着科技的飞速发展，国家对能源的需求也与日剧增，然而石油、天然气等传统能源即将面临枯竭，作为新型能源的太阳能应运而生且得到了快速发展。但是光伏并网逆变器输出的并网电流中含有大量的谐波，这些谐波会导致电能质量的恶化，继而引发大规模的事故。因而滤波器的设计对于改善电能质量尤为重要。就现阶段而言，LCL滤波器的设计方法也层出不穷。文献[1]提出了分裂电容法，将LCL型滤波器的中间旁通电容分成并联的前后两部分，取两电流的加权平均值的方法；文献[2]根据滤波器的限制条件来确定具体参数范围，但是具有很强的经验性不利于设计；文献[3]中利用被动阻尼比的方法进行相关验证等均存在相应的缺点。本文依据LCL型滤波器中滤波总电感值L1+L2与滤波电容C2两者之间的关系提出了一种在滤波电容以及总电感值较低且不变的情况下，通过改变滤波电感L1，L2的值即当滤波电感L1大于滤波电感L2时设计出满足并网要求且谐波含有量较少的滤波器。并且通过实验验证了在滤波电容以及总电感值较低且不变的情况下，滤波电感L1大于滤波电感L2的滤波效果明显优于滤波电感L2大于滤波电感L1所设计的LCL滤波器。1三相并网逆变器拓扑结构图1为三相并网逆变器的拓扑结构图，iPV为直流电流，Cdc为直流母线电容，Ud为直流母线电压；VT1~VT6为三相逆变的6个IGBT桥臂。R1，R2分别为两侧滤波电感的内阻。该拓扑结构中LCL型滤波器的传递函数可以表示为如下：G(s)=iL2(s)ub(s)=1L1L2Cs3+(L2R1+L1R2)s2+(CR1+CR2+L1+L2)s+R1+R2（1）2滤波器参数性能分析由于LCL滤波器在抑制谐波方面效果显著，故本文就LCL滤波器的参数性能进行相关比较，最后设计出一LCL陆庆，张建，郑崇伟，戴瑜兴（温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州325035）摘要：LCL型滤波器就谐波滤除相较于L型以及LC型滤波器具有很大的优势，在此首先通过对滤波总电感值L1+L2与滤波电容C2两者之间的关系进行研究，然后提出一种在滤波电容以及总电感值较低且不变的情况下，通过改变滤波电感L1，L2的值设计出满足并网要求且谐波抑制最为显著的滤波器。最后通过10kVA样机实验验证该设计取得了良好的效果。关键字：LCL型滤波器；滤波电感；滤波电容；谐波滤除中图分类号：TN710⁃34；TM464文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2015）02⁃0121⁃03ComparisonofparameterperformancesofLCLfilterLUQing，ZHANGJian，ZHENGChong⁃wei，DAIYu⁃xing（CollegeofPhysicalandElectronicInformationEngineering，WenzhouUniversity，Wenzhou325035，China）Abstract：ComparedwithL⁃typeharmonicfilterandLC⁃typefilter，LCLfilterhasagreateradvantageinharmonicsuppres⁃sion.TherelationshipbetweenthefilteringtotalinductanceL1+L2andfilteringcapacitorC2isresearched，andthenadesignschemeofthefilterwhichhasmostsignificantharmonicsuppressionandcanmeetgrid⁃connectionrequirementsbychangingthefilterinductancevalueunderthecasesthatthetotalinductancevalueandfilteringcapacitorarelowandunchangedisproposed.Theexperimentswith10kVAprototypeshowthatthisdesignhasobtainedagoodeffect.Keywords：LCLfilter；filteringinductor；filteringcapacitor；harmonicfiltering收稿日期：2014⁃06⁃15基金项目：国家自然科学基金资助项目（51207112）；浙江省科技计划项目（2014C31093）121121现代电子技术201538种满足并网要求且谐波抑制最为显著的滤波器。依据图1所示的并网逆变器拓扑结构中滤波电感L1、L2和滤波电容C2，通过Matlab仿真得到LCL型滤波器中滤波总电感值L1+L2与滤波电容C2两者之间的关系如图2所示，并且可以看出：在滤波电容C2值越大的时候，L1+L2总电感量值越小。图1三相并网逆变器并网拓扑结构图2滤波器中C2与L1+L2之间的关系依据上述仿真结果，本文在保持滤波电容、总电感值较小且不变的情况下，通过改变L1，L2进行相关性能比较，最后提出在滤波电容C2值以及L1+L2总电感量值不变的情况下，L1电感值大于L2电感值的时候，此时LCL滤波器的性能达到最优。并且依据滤波器的限制条件对滤波器的参数进行如下设计：（1）谐振频率可以表示为：fres=12πL1+L2L1L2C2（2）在已知谐振频率的前提下可以求出滤波电容C2，而C2吸收的无功功率不能大于系统额定有功功率的5%，此处选取2%的无功功率；可以得到：C2=Pn2×2πf1u2g（3）式中：Pn为并网逆变器输出的额定有功功率；ug为相电压有效值；f1为电网基波频率。（2）LCL滤波器总的电感所产生的阻抗压降小于正常额定工作情况下电网电压的10%；由式（2）以及上述推导可以得到：L2=L1ω2resL1C2-1（4）3实验验证在额定容量10kVA的单相并网逆变器样机上其电路拓扑如图1所示，给定电网额定电压230V，直流电压580V，调制频率5kHz，并且保持滤波电容C1为20μF且总电感值L1+L2为2.5mH不变的情况下，通过改变L1，L2的参数进行相关比较实验，分别得到了逆变电压以及并网电流的波形图如图3所示。图3实验波形通过上述实验可以明显看出在滤波电容、总电感值1222LCL不变的情况下，当滤波电感L1大于L2的时候相比L2大于L1时所设计的LCL滤波器的实际性能更加优越，即逆变器逆变输出电压以及并网电流的电能质量更加优化。4结语本文根据LCL滤波器L1+L2，C2两者之间的关系，提出了一种在滤波电容以及总电感值较低且不变的情况下，通过改变滤波电感L1，L2的值设计出满足并网要求且谐波抑制最为显著的滤波器。最后在10kVA的单相并网逆变器样机上验证了当滤波电感L1大于L2的时候，LCL滤波器的实际性能更加显著。[1]沈国桥.LCL滤波并网逆变器的分裂电容法电流控制[J].中国电机学报，2008，28（18）：36⁃41.[2]刘飞.三相并网逆变器LCL滤波器的参数设计与研究[J].电工技术学报，2010，25（3）：110⁃116.[3]魏星.三相并网逆变器的LCL滤波器设计[J].电力电子技术，2011，44（11）：13⁃15.[4]邱燕.基于谐波频谱的LCL滤波器设计[J].电力电子技术，2012，45（4）：7⁃9.[5]MALESANIL，TENTIP，GAIOE，etal.ImprovedcurrentcontroltechniqueofVSIPWMinverterswithconstantmodula⁃tionfrequencyandextendedvoltagerange[J].IEEETransac⁃tionsonIndustryApplications，1991，27（2）：365⁃369.[6]FUKUDAS，YODAT.Anovelnurrent⁃trackingmethodforac⁃tivefiltersbasedonasinusoidalinternalmodel[J].IEEETransactionsonIndustryApplications，2001，37（3）：888⁃895.[7]FAINANA，JANS.ControlofVSCconnectedtothegridthroughLCL⁃filtertoachievebalancedcurrents[C]//PESC29thAnnualMeetingConferenceRecordofPowerElectronicsSpecialistsConference.[S.l.]：[s.n.]，2005，1：572⁃578.[8]SHENGuo⁃qiao，XUDe⁃hong，XIDan⁃ji，etal.Animprovedcontrolstrategyforgrid⁃connectedvoltagesourceinverterswithaLCLfilter[C]//IEEETwenty⁃FirstAnnualAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition.[S.l.]：IEEE，2006：1067⁃1073.[9]黄殿君，田立欣，王硕，等.光伏并网逆变器控制和仿真[J].现代电子技术，2012，35（10）：146⁃148.[10]郭天娇，付成伟，高明，等.三相SVPWM逆变器死区时间的硬件保护[J].现代电子技术，2012，35（20）：189⁃191.作者简介：陆庆（1989—），江苏南通人，工程硕士。研究方向为大功率变流技术。张建（1988—）。研究方向为大功率变流技术。郑崇伟（1951—）。研究方向为大功率变流技术。􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂（上接第120页）[1]胡春华，石玉.数字锁相环路原理与应用[M].上海：上海科技出版社，1990.[2]BESTRE.Phaselockedloopsdesign，simulation，andapplica⁃tions[M].5thed.北京：清华大学出版社，2007.[3]陈高峰，庞辉，洪琪，等.智能模数控制型全数字锁相环的研究[J].安徽大学学报：自然科学版，2012，36（7）：51⁃56.[4]耿计芳.高精度自动变模控制全数字锁相环的研究[D].天津：天津大学，2006.[5]ZIANBETOVE，JAVIDANM，ANCEAUF，etal.DesignandVHDLmodelingofall⁃digitalPLLS[C]//NEWCASConference，NewYork，USA：IEEE，2010：293⁃296.[6]GENGHua，XUDe⁃wei，WUBin.Anovelhardware⁃basedall⁃digitalphase⁃lockedloopappliedtogrid⁃connectedpowercon⁃verters[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2011，58（5）：1737⁃1745.[7]YAHARALM，SASAKIH，FUJIMOTOK，etal.Alldigitaldi⁃vidingratiochangeabletypephase⁃lockedloopwithawidelock⁃inrange[J].ElectronicsandCommunicationsinJapan（Part1：Communications），2005，88（2）：2277⁃2284.[8]肖帅，孙建波，耿华，等.基于FPGA实现的可变模全数字锁相环[J].电工技术学报，2012，2