基于有源滤波的并网逆变器仿真研究

孔维功，李丽荣

(邢台职业技术学院 电气工程系，河北 邢台 054035)

基于有源滤波的并网逆变器仿真研究

孔维功，李丽荣

(邢台职业技术学院 电气工程系，河北 邢台 054035)

光伏发电产生的直流电能要想并入电网使用，就必须要经过逆变器的逆变。有源滤波电路的拓扑结构和并网逆变器拓扑结构又十分相似，因此可以根据有源滤波和光伏并网系统在拓扑结构和控制方式上的相似性，将二者统一起来共同控制，这样既可以实现光伏并网作用，又可以达到滤除谐波的功能。这样可以通过比较和分析LCL滤波电路在光伏并网和有源滤波上的不同工作方式，然后拿出一套可以满足二者共同需求的LCL滤波电路设计方法，达到逆变之后滤波的目的。阐述了LCL电路相比其他滤波方式的优势，并且对LCL电路的设计以及参数的选择进行了仿真，使其达到优化光伏并网逆变的目的。

光伏发电； 并网； LCL滤波； 逆变器

0 引 言

新能源的研究开发和利用已经是必然趋势。而太阳能发电要大规模的引入电网，就必须要进行光伏并网，而光伏并网过程其实就是一个逆变的过程，并网逆变的拓扑结构及控制方式在一定程度上又与有源滤波相似，因此二者可以集于一体，在光伏发电迅速发展的今天，为今后的能源工业带来革命性变化[1-3]。

有源滤波的优势首先在于它的动态补偿效果，即它可以补偿大小和频率都变化的无功功率和谐波电流。它的响应速度很快，能很敏锐地捕捉到补偿对象的变化[1-2]；其次它较为稳定，电网阻抗对它的干扰不会造成谐振等问题。但有源滤波的缺点是在实际应用时所需的成本较高，无法完成多样性的功能，而受到一定的制约。

光伏并网系统为独立的负载和大电网提供电能，缓解了用电高峰期的缺电率，起到了对电网进行调峰的作用，同时也提高了电力系统运行的可靠性[4-7]。大城市的电网结构复杂，规模较大，对于光伏并网产生的交流电不会对大电网的整个电能质量产生太大影响。但在偏远农村地区，如果直接将光伏并网负载到电网内，逆变产生的各次谐波会污染电网的电能质量，威胁到供电的可靠性。因此在偏远地区构建光伏阵列时，需要一定的谐波补偿设备，即有源滤波器(APF)[8-10]。

单独在构建电网时设置有源滤波设备会增加很多不必要的成本。光伏并网系统单独应用会被很多外界因素所制约，效率不高。而且比较二者的电路结构，可以发现它们的主电路结构是相同的，都是电压型逆变主电路，不仅能实现光伏并网，也能完成有源滤波的功能，可以利用它们结构上的相似性，在不改变原装置的前提下实现光伏并网与谐波抑制双重功能，同时也节省了额外成本[11-13]。

因此可设计出具有有源滤波功能的光伏并网逆变器工作模式：当太阳光照充足时，系统稳定工作在并网模式，产生足够的太阳能用以注入电网；当天气等因素导致光伏阵列输出的直流电能有功功率较小时，可适当减少光伏发电的容量，分出并网系统的一部分容量进行谐波补偿的工作，同时实现光伏并网与谐波补偿；当夜晚或阴天光伏阵列无法正常工作时，则可使设备全部工作在谐波补偿状态，提高设备的利用率。

本文针对LCL滤波电路进行分析，从谐波补偿特性，开关高频纹波，谐波电流变化率，有功基波注入，电流闭环控制器带宽等方面进行研究，提出一套适用于基波和谐波共同作用的滤波方案，针对某个2.5 kVA的系统，完成从直流到交流的逆变，再进行滤波工作，将LCL滤波应用在具有有源滤波功能的光伏并网系统内，以取得更好的逆变效果。

1 基于LCL的PWM逆变器原理

基于LCL滤波的PWM逆变器的拓扑结构如图1所示[14-15]。电网侧有3个电阻Rs和电感Ls，它们和3个并联的滤波电容Cf一起实现对高频谐波的低阻分流达到滤除谐波的目的。而在逆变器侧则是3个电阻Ri和电感Li，它们的主要作用是滤波和稳压。

图1 基于LCL滤波的PWM逆变器的拓扑结构

可以得到在普通坐标系下的数学模型：

(1)

(2)

(3)

式中：us、uc、ur分别是逆变器侧电压、电容Cf电压、网侧电压，ii、ic、is分别是逆变器电流、电容Cf电流、网侧电流。由以上3式，根据KCL、KVL可以推出LCL滤波的三相PWM逆变器各相方程，以a相为例：

(4)

(5)

变频器中的众多功率性的器件可以承受小幅度的电压变化，接入的电网电压瞬时，小幅度降低时，不会对功率器件造成太大影响。为了保护变频器，在母线电压持续过低时，达不到开关电源起振工作要求，变频器控制电源无输出，造成控制系统无秩序运转，功率器件无法关断，损坏变频器。

(6)

式中：usa为a相逆变器侧交流电压，uca为a相滤波电容电压，ura为电网侧的a相电压，iai为三相逆变器侧电流，ias为a相网侧电流。

由以上各式可得LCL滤波器的状态方程，然后将状态方程从abc坐标系变换到αβ坐标系，再按照转换矩阵，可得αβ坐标系下的LCL滤波器状态空间方程为，然后进行从αβ坐标系到dq坐标系的变换。

2 LCL设计

采用LCL滤波器，相比于传统的L滤波器它所需求的总的电感量更小，从而使得系统拥有更好的动态特性，也降低了成本；相比于LC滤波器，它能很好地抑制输出电流的高频纹波，由此在具有有源滤波的光伏并网逆变器设计里，应当选用LCL滤波器。单相的LCL拓扑结构和对应的结构框图如图2所示。

图2 单相的LCL拓扑结构和结构框图

在高于谐振频率时，L滤波器通常的衰减速度是-20 dB/dec，而LCL滤波器则是通常以-60 dB/dec衰减的，所以在达到相同的滤波效果时，LCL滤波器总的所使用的电感量远远小于L滤波器，而较低的电感量会提高系统的动态特性，同时降低成本，不占体积。

当光伏阵列将产生的直流电经过并网逆变器的逆变工作之后，就会进入LCL滤波器的工作范围。网侧电感Ls和滤波电容Cf的主要作用是对从Li侧流过来的电流中含有的高频开关纹波进行阻抗分流，Cf为电流中的高频成分提供了一个低阻的通路，这样就减少了流向Ls侧的高频纹波，从而到达了抑制开关频率附近的高次谐波的目的。

2.1滤波电容值Cf的选择

在基波应用时，在滤波效果一定的情况下，Cf越大时，总电感值的取值(Li+Ls)就会越小。但如果考虑Cf的值太大又会引起并网功率因素变得过小。因此为了避免并网功率因数太小，需设置一个界限，即要求Cf吸收的无功功率不能高于系统额定有功功率的5%，通过这个设置可以确定Cf的一个上限值，即：

(7)

式中：f为电网频率，U1为相电压有效值，P为电网额定功率。

使高频分量尽量多的经过滤波电容Cf的支路，从而减少流入电网侧的高次谐波。可以令电容容抗Xcf小于电网侧电感Ls感抗的20%，即可得此时对滤波电容Cf的一个限制为：

(8)

(9)

式中：P=2.5 kW，f=50 Hz，fs=10.5 kHz，U1=220 V，可得0.57 μF≤Cf≤2.74 μF，故可取Cf=2.5 μF。

3.2总电感(Li+Ls)值的选择

LCL滤波器的Li和Ls是一起变化，可以将二者看成是一个参数进行计算。在基波应用即光伏并网时，当总电感较大时，优势在于会消除掉系统的电流纹波，但大电感意味着体积重量的增加，也会增加不必要的设备成本。而LCL滤波器的总电感值Li+Ls在很大程度上直接影响逆变器的跟踪速度与精度，也会影响系统的动态响应。当总电感值较小时，系统的动态响应和电流跟踪会较快，但是此时由于动态响应较快导致电流的波动很大，容易对系统造成冲击，影响整个设备的工作。根据要求LCL滤波器电感附近的纹波电流不能超过额定电流的15%～25%，由此来确定总电感Li+Ls值范围的一个下限为：

(10)

式中：Ud为逆变前直流侧的电压，fs为开关频率。

当谐波次数较高时，LCL滤波器中的电容可以忽略不计，因此仅仅需要考虑电感的影响。在设计LCL滤波器的电感时，谐波电流的变化率也会对总的电感值有不小的影响，同时由于非线性负载所产生的谐波具有高次的特点，在现如今一般的谐波应用场合中，一般需要对25次(1 250 Hz)以内的谐波进行补偿。因此可取：

(11)

式中，PL为负载处的功率。

当基波与谐波共同作用时需要综合考虑两种情况下的限制因素，所以确定的总电感既要满足电流纹波的要求，又要满足系统的动态响应。即所需总电感的取值范围是：

(12)

代入数据，其中Ud=488.46 V，fs=10.5 kHz，PL=2.5 kVA，可得7.68 mH≤Lis≤19.47 mH。

开关频率附近的逆变器输出电流谐波应该具有-20 dB/dec的衰减速度，同时在开关频率附近的谐波衰减比不能超过0.1，即：

(13)

可得电网侧电感Ls的取值范围，由此可以确定网侧电感Ls和逆变侧电感Li的值。也可以根据一般经验，Li/Ls的值一般在5左右，可得满足设计条件的一组参数，Li=10 mH，Ls=2 mH。

2.3谐振频率fres的选择

当基波作用时，谐振频率较高会具有较好的电流跟踪速度和精度，但是谐振频率太高会使开关电流纹波超出限制；而谐振频率太低，在中低频段中的电流谐波幅值会增大，这样电流控制方面的难度会增大以达到相同的滤波效果。在具有APF的光伏并网系统中为了能够使LCL滤波器更高地滤除掉高次谐波，应该使谐振频率较小，一般可取：

10f≤fres≤fs/2

(14)

当谐波作用时，低频段的谐波会受到LCL滤波器的谐振频率的影响。因此在设计LCL滤波器时要对谐波电流进行补偿，即要求LCL滤波器的通频带有一定宽度，也应该使谐振频率波动在开关频率的1/2，一般可取：

25f≤fres≤fs/2

(15)

当基波与谐波共同作用时，由于具有有源滤波功能的光伏并网系统包含有谐波分量，在确定谐振频率时为了避免并网系统放大了低频段的谐波，应取基波和谐波的谐振频率大小相等，并使谐振频率尽可能的等于开关频率的1/2。所以可取：

fres=fs/2=5.25 kHz

(16)

3 仿真及验证

三相LCL仿真电路如图3所示。其中直流电源VDC1容量为2.5 kVA，可计算出其大小为488.46 V。此外：

为了测量滤波之后的电压大小，可以在滤波之后增加两个100 Ω电阻R1和R2，三角波发生器通过比较器和模数转换器，作为IGBT的驱动电路。6个IGBT每个的相位延迟为60°。对LCL滤波器，其传递函数为：

根据该传递函数，利用Matlab可以编写它的程序如下，并得到LCL滤波电路的Bode图如图4所示。

图3 三相LCL仿真电路

图4 LCL滤波电路Bode图

滤波前后的电压VP1和电压VP2的波形如图5、6所示。

(a) VP1

(b) VP2

再进行滤波前后的FFT对比，如图7所示。

由滤波前后的FFT比较，可知各高次谐波在滤波之后得到了较好的消除。得到了补偿。由滤波前后的波形对比，可知LCL滤波器的滤波效果良好，达到了预期目的。

(a) VP1

(b) VP2

(a) 滤波前

(b) 滤波后

4 结 语

对LCL滤波电路进行分析，提出一套适用于基波和谐波共同作用的光伏并网逆变方法，并且给出了LCL滤波器参数的建模和计算，同时仿真分析了滤波前和滤波后的输出电压波形以及FFT谐波频谱。研究结果表明，采用LCL滤波器所需求的总电感量更小，使得系统拥有更好的动态特性，同时降低了成本，且很好地抑制输出电流的高频纹波，具有较高的工程价值。

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Simulation Research on the Grid-connected System Inverters Based on Active Power Filter

KONGWeigong，LILirong

(Department of Electrical Engineering,Xingtai Polytechnic College,Xingtai 054035,Hebei,China)

The energy crisis has swept the whole earth in the 21st century,and all kinds of traditional fuels have been used out,and the serious pollution of environment has restricted the further development of the world.In this way,the clean and no-pollution renewable energy is very precious.And the solar technology shows great potential in many kinds of renewable energies.So if we want to have a widespread application of solar energy and connect to the grid,the grid-connected technology must be safe and reliable.And the DC power produced by photovoltaic power generation should use the inventers when it connects to the grid.We know that the topology structures of active filter and inverter are very similar.Therefore,using the similarities of them to study the unified control of photovoltaic grid system and harmonic compensation of APF can make it have two functions.This paper puts forward a design method of LCL filter circuit which can be used on both photovoltaic and APF based on summarizing the application under each situation.This paper talks the advantage of LCL circuit compared with other filtering ways,and puts forward the design principle,the choice of parameters and the simulation experiments to get a proper grid-connected photovoltaic system inverter.

photovoltaic power generation; grid-connected; LCL filter; inverters

2016-11-10

河北省教育厅青年基金项目(Q2012132)；河北省科技厅科技支撑项目(13211718)

孔维功(1979-)，男，云南宣威人，硕士，副教授，主要研究方向:从事智能检测技术、电机控制研究。

Tel.: 13930959227；E-mail：kwgllrlw@163.com

TM 464

：A

：1006-7167(2017)07-0103-05