《電子技術(shù)應(yīng)用》
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并網(wǎng)逆變器LCL濾波器最優(yōu)參數(shù)選取方法
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
賀金玉1，魏金成1，郭筱瑛2，張煜楓1，李亦鳴1，陳歷梅3，曹太強(qiáng)1
1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039；2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花617000； 3.國網(wǎng)四川明珠集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 遂寧629200
摘要： 現(xiàn)有單相并網(wǎng)逆變器濾波器設(shè)計(jì)方法僅考慮了濾波特性，未分析兩個(gè)電感參數(shù)比率變化時(shí)濾波器性能變化，也未考慮開關(guān)頻率對濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的限制，因此，濾波器未能達(dá)到最佳性能。首先建立μ（網(wǎng)側(cè)電感與逆變側(cè)電感的比值）、k（開關(guān)頻率與諧振頻率的比值）數(shù)學(xué)表達(dá)式，其次分析了μ、k參數(shù)變化與元件體積、儲(chǔ)能、諧波衰減之間的變化關(guān)系，確定了μ、k參數(shù)取值范圍，最終計(jì)算出最優(yōu)的LCL濾波器的參數(shù)值。通過仿真分析可知，單相并網(wǎng)逆變器總諧波含量為2.02%，功率因數(shù)達(dá)到99.82%,且負(fù)載突變時(shí)能快速響應(yīng)，達(dá)到了的動(dòng)態(tài)平衡。
中圖分類號(hào)： TM7
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174891
中文引用格式： 賀金玉，魏金成，郭筱瑛，等. 并網(wǎng)逆變器LCL濾波器最優(yōu)參數(shù)選取方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(9)：146-149.
英文引用格式： He Jinyu，Wei Jincheng，Guo Xiaoying，et al. LCL filter optimal parameter selection method for grid-connected inverter[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：146-149.
LCL filter optimal parameter selection method for grid-connected inverter
He Jinyu1，Wei Jincheng1，Guo Xiaoying2，Zhang Yufeng1，Li Yiming1，Chen Limei3，Cao Taiqiang1
1.School of Electric Information，Xihua University，Chengdu 610039，China； 2.School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China； 3.Sichuan Ming Zhu Group Co.,Ltd.，of State Grid，Suining 629200，China
Abstract： The existing filter design methods only consider the filter characteristics. The influence of the change of the ratio of the two inductor parameters on the filter performance is not analyzed, and the limit about the switching frequency of the filter parameter design is also not considered.Therefore, the filter failed to achieve the best performance. In this paper, the mathematical expressions of μ(the ratio of grid side inductance to inverter side inductance) and k(the ratio of switching frequency to resonant frequency) are firstly established. Secondly, the relationship between μ, k parameters and component volume, energy storage and harmonic attenuation is studied. The range of μ、k parameters is determined.Finally, the optimal LCL filter parameters are calculated.Through the simulation, the total harmonic distortion of the single-phase grid-connected inverter is 2.02%, the power factor is 99.82%, and the load can be rapidly responded to the sudden change and the system achieves a new dynamic balance fastly.
Key words : grid-connected inverter；LCL filter；inductance ratio；switching frequency；harmonic

0 引言

    近年來，光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)快速發(fā)展，而并網(wǎng)逆變器是分布式發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵接口，因此，提高并網(wǎng)逆變器輸出的電能質(zhì)量至關(guān)重要[1]。

    與傳統(tǒng)的L型濾波器相比，LCL型濾波器具有高頻衰減效果好、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是LCL濾波器參數(shù)較多，參數(shù)設(shè)計(jì)相對復(fù)雜。目前，已有一些LCL參數(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)的文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[2]提出濾波器參數(shù)和控制參數(shù)一體化設(shè)計(jì)的方法，但該方法只適用于逆變側(cè)電流反饋控制且設(shè)計(jì)過程復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]考慮保證高頻衰減效果的條件下最小化LCL濾波器的體積。文獻(xiàn)[4]將電感總儲(chǔ)能最小作為參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]中LCL濾波器電感取值折中考慮紋波電流、系統(tǒng)功耗，電容取值折中考慮無功功率。上述文獻(xiàn)中，電感參數(shù)設(shè)計(jì)均考慮的是總電感對系統(tǒng)的影響，未考慮逆變側(cè)和電網(wǎng)側(cè)電感比例分配問題，也未考慮系統(tǒng)開關(guān)頻率、帶寬頻率對LCL濾波器性能影響。

    本文把LCL濾波器看作一個(gè)濾波單元，引入k、μ兩個(gè)新參數(shù)。首先推導(dǎo)出k、μ參數(shù)和濾波單元的關(guān)系表達(dá)式，緊接著分析了μ值和無源元件體積、總電感儲(chǔ)能的關(guān)系，其次寫出了開關(guān)頻率、諧振頻率、帶寬頻率間關(guān)系，得到了k參數(shù)的取值范圍，分析了k、μ參數(shù)的關(guān)系及它們對諧波衰減產(chǎn)生的影響，最終確定了k、μ的取值。仿真驗(yàn)證了并網(wǎng)逆變器的LCL濾波器參數(shù)選取的正確性。

1 LCL型并網(wǎng)逆變器

    圖1為LCL型并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。假設(shè)并網(wǎng)逆變器前級DC/DC電路已實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，Udc為直流側(cè)電壓；vg為電網(wǎng)電壓；vi為逆變器輸出電壓；逆變側(cè)電感Li、濾波電容C、網(wǎng)側(cè)電感Lg構(gòu)成LCL型電路；Rc、Ri和Rg分別為電容C、電感Li和Lg寄生參數(shù)。

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    忽略Rc、Ri和Rg，LCL濾波器的諧振角頻率為：

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1.1 網(wǎng)側(cè)電感與逆變側(cè)電感的比值分析

    在保證濾波性能的基礎(chǔ)上，LCL濾波器參數(shù)應(yīng)滿足無源元件尺寸夠小、體積夠小的設(shè)計(jì)要求。

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    另外，LCL濾波器中的儲(chǔ)能總量也可以被認(rèn)為是無源元件尺寸和成本的衡量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，總電感儲(chǔ)能可近似為：

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1.2 開關(guān)頻率與諧振頻率的比值分析

    在數(shù)字控制系統(tǒng)中，若采樣方式為單更新模式，則fs=fsw（fs為采樣頻率）；若采樣方式為雙更新模式，則fs=2fsw；不管采用哪種模式，按照奈奎斯特采樣標(biāo)準(zhǔn)，為確保DSP可以清楚地顯示諧振現(xiàn)象，fs至少應(yīng)為諧振頻率fres的兩倍。

    同時(shí)，為避免諧振出現(xiàn)在中頻帶，諧振頻率fres應(yīng)大于帶寬頻率fb[7]。即fres應(yīng)滿足不等式(5)：

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    單更新模式中k的取值范圍為2～19。

1.3 k和μ對諧波的影響

    在中頻和高頻時(shí)，電網(wǎng)電壓相當(dāng)于短路狀態(tài)，可將逆變器看做諧波發(fā)生器，基于圖1得到LCL濾波器的諧波模型如圖3所示。

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    除了開關(guān)諧波，并網(wǎng)逆變器中還含有大量高次諧波。對于給定的fsw和LTC值，μ從0.1變化到5時(shí)，LCL濾波器的幅頻特性如圖5所示。低于諧振頻率時(shí)，μ取值對LCL濾波器的頻率響應(yīng)幾乎無影響，4條曲線重合；高于諧振頻率時(shí)，可以看出相較μ其他取值，μ=1時(shí)幅值衰減效果最佳。

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    綜合上述分析可知：當(dāng)總電感LT確定后μ=1為最佳取值。另外，k取值越小，元件尺寸越小，儲(chǔ)能也越小；k取值越大，開關(guān)諧波衰減效果越好。故k在平均值kmean附近時(shí)系統(tǒng)性能更好。

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1.4 總電感LT和濾波電容C設(shè)計(jì)

    文獻(xiàn)[10]提出了傳統(tǒng)的總電感LT、C的設(shè)計(jì)需要滿足的不等式；總濾波電感LT的初始值范圍為：

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其中，Pr為額定功率。

2 仿真驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證引入μ、k參數(shù)設(shè)計(jì)方案的正確性，用MATLAB/Simulink搭建3 kW單相并網(wǎng)逆變器仿真模型。仿真參數(shù)如下：輸入電壓Udc=400 V；開關(guān)頻率fsw=10 kHz；基波頻率f=50 Hz；電網(wǎng)電壓vg=220 V。控制方法采用PI雙環(huán)電流控制（外環(huán)取電感電流；內(nèi)環(huán)取電容電流），其中：外環(huán)ki=1 400、kp1=0.5；內(nèi)環(huán)kp2=2。

2.1 諧波分析仿真

    當(dāng)k=5時(shí)，μ取不同值時(shí)，仿真分析其逆變器并網(wǎng)的諧波成分，結(jié)果如圖6所示。

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    從圖6(a)可以看出，并網(wǎng)逆變器可以得到較高正弦度的并網(wǎng)電流，開關(guān)諧波被濾除。并網(wǎng)電流可以較好地跟蹤電網(wǎng)電壓相位，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓同頻同相。從圖6(b)和圖6(c)可知，當(dāng)μ=1時(shí)逆變器總諧波含量為2.02%，且30次以上的諧波含量均遠(yuǎn)小于0.2%，而μ=0.5時(shí)逆變器總諧波含量為2.47%，同時(shí)35次以上諧波含量才能實(shí)現(xiàn)低于0.2%，且40次諧波約等于0.2%。此外μ=2時(shí)逆變器總諧波含量達(dá)到了3.91%，由圖6(d)可以看出盡管在高次諧波衰減效果很好，但是10次到20次諧波含量較高，其中部分諧波含量達(dá)到1.2%。相比較可知μ=1時(shí)系統(tǒng)更符合并網(wǎng)要求，故μ=1為最佳參數(shù)取值。同時(shí)，并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)達(dá)到了99.82%，滿足并網(wǎng)要求。  

2.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

    圖7是系統(tǒng)由半載切換至滿載再到半載時(shí)并網(wǎng)電流波形。在0.1 s時(shí)，負(fù)載突變?yōu)?倍，在0.1 s到0.2 s間，系統(tǒng)運(yùn)行良好，并網(wǎng)電流較好地跟蹤并網(wǎng)電壓。在0.2 s時(shí)，負(fù)載再次突變至原始狀態(tài)。在兩次負(fù)載突變瞬間，并網(wǎng)電流快速響應(yīng)，幾乎無超調(diào)和瞬態(tài)震蕩，系統(tǒng)達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定運(yùn)行。

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3 結(jié)論

    本文主要分析了單相并網(wǎng)逆變器LCL濾波器最優(yōu)參數(shù)選取方法，得出以下結(jié)論：

    (1)相比已有文獻(xiàn)研究，本文所提LCL濾波器設(shè)計(jì)方案不僅可以達(dá)到傳統(tǒng)濾波器高次諧波衰減效果，同時(shí)充分考慮了其他因素影響，引入的k與μ兩個(gè)參數(shù)，簡化了設(shè)計(jì)過程，易于實(shí)現(xiàn)，獲得最佳的k、μ取值，確定電感、電容取值。

    (2)與原有的設(shè)計(jì)方法相比，該方法不僅考慮了無源元件尺寸達(dá)到最小值，還考慮了LCL濾波器總儲(chǔ)能也可以達(dá)到最小值，同時(shí)充分考慮LCL濾波器的濾波效果，通過對比μ取不同值時(shí)結(jié)果表明不僅可以有效縮減元件尺寸、成本，還可以增強(qiáng)開關(guān)諧波衰減效果。

    （3）本文單相并網(wǎng)逆變器LCL濾波器最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法對整流和三相并網(wǎng)逆變器的LCL參數(shù)選取具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

賀金玉1，魏金成1，郭筱瑛2，張煜楓1，李亦鳴1，陳歷梅3，曹太強(qiáng)1

（1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039；2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花617000；

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