光伏并网逆变器通用LCL滤波器的设计

光伏并网逆变器通用LCL滤波器的设计摘要：从光伏并网逆变器的实际特点出发，对逆变器LCL滤波器参数设计进行了研究。从逆变器对滤波器的实际要求方面给出了LCL滤波器的设计步骤和方法，对100kW三电平并网逆变器滤波器参数进行了设计。同时，针对实际系统，应用MATLAB仿真软件对设计结果进行了仿真验证，仿真和实验结果表明：采用所提出的LCL滤波器的设计方法，光伏并网逆变器性能良好，从而验证了这种设计方法的正确性和合理性。关键词：光伏并网逆变器；滤波器；电流纹波；谐波引言伴随着近年来全球光伏发电装机容量的不断增加，光伏并网逆变器的需求量也日益增多，电网电能质量方面的要求迫使光伏并网逆变器在发电质量等方面性能越来越好。滤波器是光伏并网逆变器的重要组成部分，同时也是逆变器提高工作性能的重要环节。在光伏并网逆变器中，其常用的拓扑结构如图1所示[1，2]，其主要组成部分有：直EMI滤波器、逆变桥、滤波器、接触器等。本文针对上述常用拓扑结构，对逆变器的工作图1三电平逆变器典型拓扑特点和滤波要求进行了分析，提出了该类滤波器的有效设计方法，同时针对100kW三电平并网逆变器的参数，设计了LCL滤波器，最后通过仿真验证了该设计的合理性，表明了本文提出的滤波器设计方法的正确性。1光伏并网逆变器对LCL滤波器设计的要求光伏并网逆变器的简化模型如图2所示，其主要功能是为电网注入能量，保证注入电流Ig的电能质量。因此对滤波器的要求主要有以下几个方面：谐波、电流纹波、成本、控制系统设计。1.1电流纹波方面输出电流纹波的计算方法在多种文献中提到，在参考文献[3,4]中，电流的纹波公式一般应用于BUCK电路中输出电压被控制的场合，在逆变器中输出控制电流，逆变器的输出电压是电网电压，与输入电压的关系与BUCK电路的公式不同。逆变器输出电流的纹波主要因为逆变桥开关过程中，电感两端电压VL的不断变化造成的。ΔI=VL/L·ΔT(1)在IGBT开通和关断时，VL不同。定义开关函数S：S=1，IGBT开通；S=0，IGBT关断。根据上面定义，根据一般经验以及后面计算可知，Lg电感量一般小于Lf，Lg甚至为线缆电感，因此其压降很小，同时考虑到其输入端有滤波电容，因此可以近似认为VCf电压近似为电网电压，因此可以得到电感Lf两端电压VL的公式为：VL=𝑉𝐷𝐶2𝑠−𝑉𝐺·𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡)(2)其中，ω是电网角频率。在光伏并网逆变器中，正常工作时一般要求功率因数为η=0.99，这里可以近似为1。由于控制量与电网相位差φ很小，对结果影响不大，为便于分析，本文忽略φ0影响，因此:ΔT=M·sin（ωt）(3)其中，M是SVPWM发波的调制度，并且满足M=𝑉𝐺×√2𝑉𝐷𝐶(4)联立公式（1）、（2）、（3）可得：数学推导中，当t满足式（6）时，电流纹波最大值如式（7）所示。从式（7）可以得出，电流纹波最大值如式（8）所示。从上面结果可以得出，电流纹波最大值并不是出现在电网电压峰值上，而是随着母线电压的不同而不同，当母线电压为最大值时，纹波电流最大。总输出电流如图4所示。1.2谐波方面根据参考文献[5]国家电网对逆变器的谐波输出的要求为：THD≤5%,并网光伏逆变器必须满足上述要求。降低逆变器谐波的方法一般有两种，一种是通过控制参数及发波的方式降低谐波。另一种是通过合理设计滤波器滤除谐波。本文的方法是针对后者进行设计。通过公式（8）给出电流纹波计算公式，根据实际需要的纹波电流百分比，可以得到电感的一个取值范围。在此基础之上，需要设计电感Lf，Lg。首先分析逆变器的谐波源。对图2所示的简化结构，逆变器侧的电压如式（9）所示：VA=𝑉𝐷𝐶2·S(t)(9)式中：S(t)是开关函数，其随时间变化而变化，根据参考文献[6]可以得到，开关函数如下：上式中，第一项是基波部分，第二项是高频部分，也是分析的重点，定义其如下根据参考文献[6]中的赛贝尔公式，当n为奇数时候，式（11）可变为：从频率角度看，谐波的频率点为：ωH=nωs+k1ωgk1=0，±2，±4…(13)谐波频率处的谐波幅值为：当n为偶数时候，式（11）可变为：