光伏发电系统输出滤波器设计

王苏英

(广东省工业技术研究院粉体技术研究中心，广东 广州 510650)



光伏发电系统输出滤波器设计

王苏英

(广东省工业技术研究院粉体技术研究中心，广东 广州 510650)

随着越来越多的分布式能源以及非线性负荷接入电网使得电网中的谐波含量大大增加，对电力系统的稳定造成了严重影响，在分析光伏发电系统的结构及与电网连接的输出滤波器的特性上，对光伏发电系统输出滤波器进行设计和仿真分析，得出与、滤波器相比，滤波器具有更好的高频谐波抑制效果，通过仿真证明此结论。

谐波；输出滤波器；仿真分析

1 引言

随着全球人口的增长、资源的日益消耗，促使社会经济发展所需资源量日益增加，目前世界各国电力行业大多采用火力发电、水力发电、核能发电等常规能源，但是对于新能源比如：太阳能、潮汐能、风能等利用还不够，没有大规模的应用到电网中。然而常规能源储量有限，且大部分是不可再生能源，所以，新能源的开发和利用是目前解决能源问题的当务之急。我国能源储量十分匮乏，煤的储量只有约81年，全世界约230年，约为世界平均水平的三分之一，其他像天然气、石油、铀的储量也低于世界平均水平。尤其是石油储量十分匮乏，按照目前开采速度，世界石油的使用年限只有约45年，中国只有15年的使用时间，但太阳能对各国的使用时间是平等的，没限制的，不会因为使用过多太阳能光照会减少，太阳能可以视为一个取之不尽的能源库，据目前权威数据显示，每天达到地面的太阳辐射能约为2.5亿桶石油，而且太阳能是一种绿色无污染能源，基本上不会造成任何环境问题。 因此只要能够充分利用太阳能，太阳能将可能取代传统常规能源在电力行业中的作用。

2 光伏发电系统

当前，对太阳能的利用主要有太阳能光化利用、太阳能发电利用、太阳能动力利用等，其中太阳能光伏发电被看作是最具潜力的一种。进入21世纪，光伏发电发展迅猛，尤其是近几年，由于光伏技术的迅猛发展，太阳能电池及配套组件年增长率达到惊人的33%。太阳能光伏发电进入了一个发展期，为了激励光伏发电市场，一些发达国家制定了符合本国国情的措施；其中德国提出的“上网电价政策”及“10万屋顶计划”，在太阳能利用率和装机容量方面多处于领先地位，为世界各国多方位的发展光伏发电系统提供了样例，大大的促进了光伏发电系统的应用。

光伏发电系统的结构如图1所示，太阳能电池板接收太阳的光照，再利用电池板内部的半导体材料的光伏效应，这样光伏电池板就可以向后面的DC/DC电路输送直流电，经过BOOST电路后处理好的直流电输送给逆变器单元，此时直流电被逆变器逆变为含有大量高次谐波的交流电，LC 低通滤波器滤除高次谐波后就可以获得所需交流电提供给电网或者本地负载。实现整个系统功率转换的逆变器处理单元是光伏发电系统的核心构成部分。控制单元由可以对DC/DC电路端口电压进行调整的MPPT控制器、将直流电逆变为所需频率和相角的交流电能的逆变器控制器构成。

图1 光伏并网发电系统框图

首先，依据与公共电网之间是否互相接在一起的关系分为独立型光伏发电系统和光伏并网发电系统两大类。其中，根据不同类型的负载要求，可以将独立型光伏发电系统细分为直流光伏发电系统，交流光伏发电系统，交直流混合光伏并网发电系统。而依据容量大小和集中程度不同，可以将光伏并网发电分为集中式光伏并网系统与分布式光伏并网系统。集中式光伏并网系统类似于发电厂，高电压等级的兆瓦级功率直接注入电网，服从电网的统一调配，我国目前正大力支持建设兆瓦级以上的大型光伏并网发电系统。分布式的小系统的规模较小，成本较低，并且分布广泛但是不集中，太阳能屋顶系统是其典型应用代表。根据不同的结构(是否具有大容量储能单元)，可以分为不可调度式光伏并网发电系统和可调度式光伏并网发电系统。根据光伏系统的拓扑结构不同可以将其分为单极式系统、两极式系统和多级式系统。

3 光伏发电系统输出滤波器设计

在并网逆变器中，非隔离型省掉了变压器环节，降低了设备成本，减轻了质量，提高了并网效率，简化了电路。本文采用非隔离的并网逆变器，同时，由于单级式电路不易同时实现系统的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking)控制和逆变控制，为了进一步简化控制策略，实现对MPPT和并网逆变的单独控制，采用两级式并网逆变装置，其非隔离型两级式光伏并网发电装置的系统结构图如图2所示。

图2 两级式光伏并网逆变器系统结构框图

图2主要可以分成四个部分：光伏阵列、DC-DC变换电路、DC-AC变换电路、LCL滤波电路。其中DC-DC电路采用的是Boost变换器，主要是将光伏整列输出的电压升高到一个较高的电压水平，同时用于MPPT控制。DC-AC逆变器采用的是电压型全桥逆变电路，经过LCL输出滤波器直接与电网相连。其中LCL输出滤波器主要有两个作用：一是将逆变器输出的PWM电压波形转变成连续的电流量并入电网；二是滤除系统中的高次开关频率。 DC-AC和LCL滤波电路可以看作光伏逆变装置的后级，其主要目的是使并网电流跟踪MPPT控制器得到的并网指令电流，将光伏阵列输出的功率输送到电网，实现能量传递。

一般并网发电装置通过滤波器连接着变流器和电网，滤波器主要负责将变流器输出的脉冲电压波形转变成连续的电流波形。目前常采用的输出滤波器主要有L、LC、LCL三种。与L、LC滤波器相比，LCL滤波器具有更好的高频谐波抑制效果，可以有效的减少开关频率的电流谐波流入电网，因此本文采用LCL滤波器作为主电路的输出滤波器。但是，LCL滤波器参数设计复杂，而且还存在谐振频率点，谐振峰值的存在会进一步放大谐波作用，对系统稳定性和输出电流产生影响。因此，实现对多功能光伏并网发电装置控制的控制目标主要有两个，一是抑制滤波器带来的高频谐振问题，二是使输出电流跟踪指令电流。

通过分析在一定的滤波效果下，总电感L、电感比值m、以及电容C三者之间的三维关系图。当在开关频率点的衰减系数为0.1时，即：|i2s(jωs)/u1s(jωs)|=0.1时，可以得出fr、C、L1/L三者之间的三维关系图。从图3可以看出，电容C、总电感L以及电感比值m是一种相互耦合的关系。当C取一定值时，总电感L与电感比值m是一种负相关的关系。随着电感值总值L的减少，电感比值m将增加，所以从节省磁芯材料的角度出发，希望m的取值越大越好。不过当C取值较小时，m值得增加对电感L的减少幅度较为平缓，但随着电容值C慢慢的增大，m值得增加对电感值L的减少幅度也会慢慢变大。所以，在设计参数，三者之间的关系应该综合考虑。

图3 L、C、L1/L的三维关系图

本文根据参考文献，选取的并网发电装置的系统

参数：

额定容量SN：3kVA；

直流母线电压Udc：400V；

开关频率fs：10kHz；

电网电压U：220V(有效值)；

谐波补偿范围：25次以内；

谐波衰减系数H2<0.1%，H1<1.4%，N=H1/H2=13，考虑到H1、H2一定的变化范围将N的取值范围定为6≤N≤25。

可以确定总电感L的范围:

基波条件:

对于APF条件下，如果定义谐波指令电流的最大变化率为第25次谐波变化率的2倍，且假设第25次谐波电流的幅值大小为1A，考虑电网电压10%的波动，则L必须满足：即:

所以L的取值范围为：1.83～3.68mH。

对于电容C的选择，可以确定C的范围，基波条件下：

APF条件下：为了保证对高频信号的低阻通道，其阻值必须小于网侧电感感抗的20%，即:

所以参数C的取值范围为：1.41～9.87uF。综上所述参数如表1所示。

表1 LCL滤波器设计参数

4 仿真分析

以TMS320LF2812芯片为控制单元仿真分析，通过采样电路采样得到的逆变器输出并网电流和电网电压，在图4(a)中，两路波形信号在频率和相位上都存在误差，CH1为电网电压，CH2为并网电流转换成的电压。可以观察出它们之间在频率和相位方面都存在偏差。图4(b)为锁相完成后的并网电流和电网电压波形，可以观察出二者的相位和频率基本一致，计算此时的相位差为0.2135°，满足并网条件，能够实现并网运行。失真度测试仪测出的此时的逆变器输出并网电流畸变率为4.2%。

5 结论

通过对输出滤波器特性分析，综合考虑设计LCL滤波器，其与L、LC滤波器相比，具有更好的高频谐波抑制效果，可以有效的减少开关频率的电流谐波流入电网。

图4 锁相操作前后的波形

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Design of the Output Filter of a Photovoltaie Generation System

WANGSu-ying

(The Micromeritic Technology Research Centre of Guangdong Industry Technology Research Institute, Guangzhou 510650,China)

With more and more distributed energy sources and nonlinera load to be connected into electric networks,make harmonic content in the network increase greatly,which has a serious effect on the power system stability The paper analyzes the structure of the photovoltaic generation system and its characteristic connecting with the output filter of the network.The design and simulation for the output filter of the photovoltaic generation system are carried out.Compare with the filer,it has much better control effect of high frequency harmonic.The conclusion has been proved by simulation.

harmonic;output filter;simulation analysis

1004-289X(2015)04-0078-04

TN713

B

2014-12-28

王苏英(1969-)，女，工程师，研究方向：电气设备控制技术等。