一种光伏逆变器的LCL滤波器设计

向荟羽 倪福银

摘    要：光伏发电因安全、清洁而具优势，光伏逆变器是光伏发电的核心设备，因而受到广泛和深入的关注。研究了光伏逆变器LCL滤波器设计，采用两级非隔离拓扑结构，前级DC/DC变换器采用Boost升压斩波电路，后级DC/AC逆变桥采用三相桥式逆变电路，建立了数学模型，给出了LCL滤波器结构控制方案。阐述了LCL滤波器具体参数设计过程，运用MATLAB建立仿真模型，通过仿真测试，该逆变器产生的并网电压波形呈现正弦波形，曲线光滑无毛刺，符合国家电能质量标准，表明该LCL滤波器参数设计合理可靠，具有理论和实际应用价值。

关键词：光伏发电;光伏逆变器;LCL滤波器;谐波

中图分类号：TM 914.4           文献标识码：A             文章编号：2095-7394（2019）06-0073-06

光伏发电具有清洁无污染、用之不竭等优点，因而越来越得到世界各国的关注，被认为是21世纪最具活力的新能源之一。[1-3]随着电力电子技术的快速发展，包括光伏发电逆变器、有源电力滤波器等在内的各类电力电子装置，已逐渐广泛应用于现代电力系统中。并网逆变器是光伏发电的核心设备，同时对于配电网电能质量治理提高也起着重要作用，因此，光伏逆变器已成为众多学者的主要研究对象。[4-10]

对于并网逆变器，当前主要采用脉宽调制技术进行并网控制，取得了很好的控制效果，但由于逆变器的逆变桥开关动作将产生高频电流成分，从而使输出电流极易引起电流波动及电压浪涌冲击;针对此问题，可采用LCL滤波器来滤除脉冲电压。LCL滤波器是一种三阶低通滤波器，能够在降低电感要求的情况下实现非常有效的开关谐波衰减，将电流谐波含量进行滤除，[11-12]此外，逆变器的输出滤波器还起着并网和隔离作用，保护逆变器全桥开关管，防止其受到电网端高频暂态干扰的影响。但如果逆变器LCL滤波器参数设计不佳，也可能将谐振问题引入光伏发电系统，这使得逆变器闭环电流控制器的设计具有挑战性。因此，对于LCL滤波器参数的设计，既要考虑滤波电感以满足并网电流的谐波指标，也要满足并网电流跟踪电网电压的快速性要求;而在设计滤波电容时，需要兼顾衰减高频谐波能力与系统高效率的问题。[13-14]

本文主要研究光伏逆变器LCL滤波器设计，采用两级非隔离拓扑结构，前级DC/DC变换器采用Boost升压斩波电路，后级DC/AC逆变桥采用三相桥式逆变电路，建立数学模型，给出了LCL滤波器结构控制方案;通过阐述LCL滤波器具体参数设计过程，运用MATLAB建立仿真模型进行仿真测试。

1   三相桥式LCL滤波器的数学模型

图1所示为具有LCL滤波的光伏并网逆变器拓扑结构，其中：左侧为一个三相桥式逆变电路;与逆变电路连接的是LCL滤波，由逆变侧电感[L1]、以Y型相连的三个电容组成的滤波电容C、与电网端相连接的网侧电感[L2]构成。

2    LCL滤波器参数设计与优化

光伏并网发电系统主要设计指标参数包括：直流母线电压[Vdc=750 V]，电网相电压[En=220 V]，频率[f=50 Hz]，额定有功功率[Pn=10 KW]，逆变桥开关频率设置为[fs=20 kHz]。

2.1  桥臂侧电感值计算

对于逆变器并网控制策略，采用SVPWM调制方式，则LCL滤波器的输入电流纹波[15]为：

2.2  滤波电容值计算

LCL滤波器中增加电容支路，不仅可以有效地滤除并网逆变器输出电流中的高频谐波成分，从而提升并网电流波形品质，而且可以保证并网逆变器能以较高的功率因数输出。设计中，限定滤波电容产生的无功功率的上限为系统额定功率的5% [15]，即：

3    MATLAB/Simulink 仿真及結果分析

为了验证上述光伏逆变器LCL滤波器参数设计的正确性与合理性，在MALAB/Simulink仿真环境下搭建了基于LCL滤波的三相光伏并网逆变器仿真模型，其参数如表1所示。

通过仿真，a相电流波形如图3所示。其中：图3（a）为未通过LCL滤波的逆变侧a相电流波形;图3（b）为通过LCL滤波的电网侧a相电流波形。对比可见，经过LCL滤波后，正弦电流畸变明显减小，电流曲线光滑无毛刺，谐波含量减少，电流质量明显得到改善。

三相逆变输出滤波前后的并网电流波形如图4所示。其中：图4（a）为未通过LCL滤波的逆变侧三相电流波形;图4（b）为通过LCL滤波的电网侧三相电流波形。显然，经过LCL滤波的电流波形得到明显改善，逆变器的谐波成分得到很好的抑制，从而提高了逆变器并网的电能质量。

为进一步验证逆变器并网的谐波抑制效果，对滤波前后输出电流信号进行频谱分析，其频谱如图5所示。其中：图5（a）为逆变侧电流谐波频谱图;图5（b）为电网侧电流谐波频谱图。可见，经过LCL滤波器的滤波，谐波畸变率由逆变侧电流的6.33%减小到电网侧电流反馈的2.27%，表明所设计的LCL滤波器参数性能良好，可以有效减小高次电流谐波。

4   结语

随着光伏发电成本的下降以及新能源的不断推广，光伏发电必将得到长足发展。本文通过对光伏发电的关键设备光伏逆变器的研究，建立了LCL逆变器的两级式拓扑结构，给出了三相静止坐标系下的模型，再经变换，得到两相旋转坐标系下的数学模型和LCL滤波器控制结构;详细给出了逆变侧电感、网侧电感和滤波电容值参数的设计过程，并对LCL滤波器参数进行优化;运用MATLAB/Simulink 搭建了基于LCL滤波的三相光伏并网逆变器仿真模型，通过仿真，验证了逆变器LCL参数设计的正确性与可行性。

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责任编辑    盛    艳