LCLCL型并网滤波器参数设计方法

张慧林+肖业伟

摘要：传统的LCL型滤波器抑制高频谐波的速度快， LLCL型滤波器内有串联谐振支路，能使开关频率谐波旁路。针对三相逆变并网系统并网电流的班开关频率谐波问题和高频谐波问题，本文提出一种新型的LCLCL型滤波器。通过在拓扑结构上结合LCL型滤波器和LLCL型滤波器中的串联谐振支路，并对滤波器参数进行规范设计，以达到更好的滤波效果。最后进行三相逆变并网仿真，验证了LCLCL型滤波器优越的正确性和有效性。

关键词：LCLCL型滤波器；高频谐波；参数设计

中图分类号：TM46文献标识码：A

Abstract： The traditional LCL type filter can suppress the high frequency harmonics， and the LLCL filter can make the switching frequency harmonic bypass. In view of the class switching frequency harmonics and high frequency harmonics of the grid connected current of three-phase inverter， this paper proposes a new type of LCLCL filter. By combining the LCL type filter and the LLCL type filter in the series resonant branch， the filter parameters are designed to achieve a better filtering effect. Finally， three phase inverter simulation is carried out to verify the correctness and effectiveness of the LCLCL type filter.

Keywords： LCLCL filter； harmonic； parameter design

0 引言

随着对电能质量的提高和逆变器的发展，滤波器成为了目前的热点研究对象之一。对于滤波器的研究，不仅需要在成本、效率等方面进行考虑，同时为了保证电网的安全运行，对并网逆变器的电流质量也提出了越来越严格的要求，并制定了详细的并网标准，如IEEE 1547-2008、UL1741等国际标准。这些国际标准从单次谐波含量、总谐波含量、直流分量和功率因数等方面对进网电能质量提出了严格的要求[1-4]。

随着并网发电系统的发展，并网逆变器也朝着高效率、低损耗等方面发展。L型并网逆变器成本低，结构简单，易于控制，但滤波效果较差。若增大电感值改善滤波效果，又会增大滤波器的体积和成本，影响逆变器的动态响应[5-6]。相对于L型滤波器，LCL型具有更好的高频谐波衰减效果，能够更好的改善电流质量，然而LCL型滤波器

往往只考虑入网电流的总谐波畸变率大小，如需使开关频率及其整数倍频率的谐波分量達到电网标准，则需加大滤波器参数，从而增加了逆变器的成本。为了让开关频率谐波满足电网标准要求，有学者提出了LLCL型滤波器结构，LLCL型滤波器包含一个串联谐振支路，用来旁路开关频率谐波电流。但是LLCL型滤波器的高频衰减速率为-20dB/十倍频程，使得二倍开关频率及其以上倍开关频率难以满足电网标准。因此，在现有滤波器的研究基础上，分析探索新的滤波器拓扑，对于改善并网电能质量具有十分重要的指导意义以及应用价值[7]。

为了达到电网标准对高次谐波的要求，在LLCL滤波器的研究基础上，提出一种新型的LCLCL滤波器拓扑结构以及参数设计该滤波器不仅具有旁路开关频率谐波电流的优点，同时也克服了二倍开关频率及以上倍频率谐波衰减速率低的不足。本文首先介绍LCLCL滤波器的拓扑结构及其特点；其次建立数学模型，分析滤波特性；进而阐明参数设计步骤；最后，通过仿真验证了本设计的良好的滤波特性。

1 数学模型

图1为三相并网逆变器主电路拓扑，图2为其中一相的LCLCL型滤波器拓扑结构，可以看成由一个LCL滤波器和串联谐振支路组成。

其中： 为逆变器输出电压； 为电网电压； 为逆变器电感； 为网侧电感； 为串联谐振支路电感； 为串联谐振支路电容； 为滤波电容； 为逆变器侧电感电流、 为网侧电感电流； 为谐振支路和滤波电容支路总电流。

由图2可推导出滤波器并网侧电流 相对于输入电压 的的传递函数，如式（1）所示。

其中，

2 LCLCL滤波器特性分析

由图可知：

1）LCLCL滤波器具有一个负谐振峰，能有效滤掉一次开关频率谐波，保留了LLCL滤波器的优点；

2）LCLCL滤波器具有两个正谐振峰，记为 ， ，同LLCL滤波器一样，正谐振峰会导致系统谐振，为了有效地抑制谐振，可将阻尼电阻与谐振支路的滤波电容 进行串联，能有效减小LCLCL滤波器的正谐振峰峰值，从而抑制谐振；

3）从图中可以看出，LCLCL滤波器的高频谐波衰减速率为-60dB/十倍频程，克服了LLCL滤波器在高频段衰减速率低的不足；

4）LCLCL滤波器包括一个LC串联谐振支路，同样能旁路开关频率谐波电流，保留了LLCL滤波器的优点。

3 LCLCL滤波器参数设计

3.1 设计准则

当频率小于2/3开关频率时，LCLCL滤波器与LCL滤波器具有相同的相频和幅频特性。因此可参照LCL滤波器的参数设计方法来设计LCLCL滤波器的总滤波电容 、桥臂侧电感 、以及网侧电感 。其余参数 、 、 根据本文提出的公式进行设计。

下面以10kW三相逆变器为例，对滤波器参数进行设计。三相逆变器的参数如表1所示。

由上述结果可知，在相同参数条件下：LCLCL滤波器的开关频率谐波幅值小于LLCL滤波器，说明LCLCL滤波器具有旁路开关频率谐波电流的特性；LCLCL滤波器的二倍开关频率谐波和三倍开关频率谐波均要小于LLCL滤波器，说明LCLCL滤波器的高频衰减特性要强于LLCL滤波器。上述仿真结果与理论分析保持一致，验证了本文理论分析的有效性和正确性。

5 结论

本文提出了一种新的无源阻尼滤波器——LCLCL滤波器，其拓扑结构可以看成由一个LCL滤波器和一个串联谐振支路组成，给出了该新型滤波器的频率特性分析和参数设计。将其应用于三相逆变并网电路中，与LLCL滤波器对比，既具有LCL型滤波器-60dB/十倍频程衰减速率的优点，又具有LLCL型滤波器的对开关频率多次谐波的陷波作用。因此在相同参数条件下，LCLCL滤波器能实现更好的滤波效果。

本文提出的新型滤波器应用于三相并网逆变器中，取得了理想的效果。下一步研究将在LCLCL型滤波器的阻尼方法上展开，优化滤波效果并减小阻尼电阻带来的功率损耗。

参考文献

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