基于matlab的并网逆变器输出的谐波抑制研究

熊 洁，胡赛纯

(湖南城市学院 信息与电子工程学院，湖南 益阳 413000)

基于matlab的并网逆变器输出的谐波抑制研究

熊 洁，胡赛纯

(湖南城市学院 信息与电子工程学院，湖南 益阳 413000)

逆变器是新能源并网时必不可少的部分，但它并网输出时波形中含有大量谐波，对电网电能质量造成严重的影响．本文对逆变器在SPWM控制下滤波输出的谐波抑制进行探讨，重点对工程实践中常用的几种无源滤波器的滤波情况进行了比较分析，给出了全桥逆变器拓扑结构，构建了3种滤波器的数学模型，并利用matlab软件平台进行了仿真，通过对输出电流的FFT分析发现，LCL方式滤波的总谐波畸变率最低，是一种较好的滤波方式，在并网逆变的实际中有一定的应用价值．

逆变器；无源滤波器；谐波抑制；仿真

当今社会随着能源短缺问题的出现，大量如风能、太阳能等再生新能源被越来越重视，基于这些能源的分布式电网是电力系统发展的目标，但分布式电网中由于一些诸如硅整流、换流逆变等非线性负荷设备的采用，在电网系统中将有大量谐波的产生，势必对电网的电能质量造成很大的影响，由此带来经济损失[1-2]．对谐波的抑制，有些地方采用了有源滤波器的技术，有体积小，智能化，模块化等优点，但也存在容量较小，成本较高的缺点．在实际工程应用中，当前广泛采用的依然以无源滤波器居多[3-4]．如何让无源滤波器进行较好的抑制谐波仍然是一个值得研究的问题，文献[5]提出了一种加窗插值的FFT算法，认为加窗插值的FFT算法能克服FFT算法检测时引起的栅栏效应、频谱泄露及频谱混叠，能更好的检测到谐波间谐波，但不具有针对性；文献[6]为获得较小的输出电压谐波畸变率和稳态电压误差率，以及较好的输出电压波形，提出了一种结合了PID控制技术与神经网络内模控制策略的新的波形控制策略，但在实际工程中使用较复杂．本文主要对逆变电源在 SPWM 控制下滤波输出的谐波抑制进行探讨．

1 并网逆变器及滤波输出拓扑结构

图1为一单相并网全桥逆变器拓扑结构图，它由T1-T4共4个开关管组成，逆变电流经滤波

图1 并网全桥逆变器拓扑结构图

器滤波后并网[7]．对图中所示的全桥逆变器而言，目前广泛釆用 SPWM(正弦波脉宽调制)方式对开关管的进行控制．由于开关管工作于高速开关状态，其开通和关断动作势必产生大量高次谐波，这些谐波如果大量的注入电网中，将会使并网电流中的高次谐波含量增加，从而严重降低并网的电能质量，对公共电网造成较大的危害．为了保证公共电网能正常运行，就必须要对并网电流进行滤波，要实现滤波就必须在电网和并网逆变器之间接入滤波器．当前普遍采用单 L型滤波器、LC型滤波器和LCL型滤波器3种模式的无源滤波器应用于单相并网逆变器，3种滤波器见图2．

图2 3种形式滤波器的电路

2 滤波器的数学建模

为了较好的分析几种滤波器的谐波抑制效果，建立图2中3种滤波器的传递函数模型．

电感L和电容C的复频域模型分别为sL和1/sC，图中 3种滤波器输出电流Ig与逆变器输出电压Uout之间的关系分别表示为

可以看出，单L型滤波器与LC型滤波器的输出传递函数形式一致，故两者的滤波性能相同，由此可见LC滤波器中的电容C对逆变器的输出电流有滤波功能，但对并网电流起不了滤波作用，完成不了对并网电流进行滤波的要求．在滤波器的实际使用选择上，单L型滤波器具有结构简单的优点，通过感抗对高频呈现高阻抗来实现高次谐波的滤波，但是要对高频具有理想的滤波特性，必需要很大电感量，导致逆变器的体积过大、重量过重．

此外，若通过选用较高开关频率来抑制谐波，势必使得逆变器的损耗增加．因此单L型滤波器一般在小功率单相并网逆变器中使用，而在并网和独立双模式的逆变器中采用较多的则是LC型滤波器．LC滤波器虽然结构简单，但是对高次谐波的抑制能力不理想，滤波效果不佳．文献8中提出了一种3阶系统的LCL型滤波器，对开关过程中产生的高次谐波分量表现为高阻抗，因而可以很好的滤除高频开关纹波电流，在3种滤波器达到相同滤波效果的情况下，LCL滤波器中的总电感量要比单L型滤波器以及LC型滤波器中的小很多，而且其动态性能也较其他两种更好．在相同开关频率和电感条件下，LCL型滤波器相比于其他两种滤波器可以获得更好的高次谐波抑制效果．所以在工程实际中，LCL型滤波器被普遍推广使用．

3 滤波器的滤波仿真及分析

3.1 采用LC方式滤波时输出波形及其FFT分析

为了对以上分析的问题进行论证，在matlab里进行了仿真，仿真电路如图3所示．

图3 仿真电路图

图3中，“Subsystem”用来产生驱动电路桥的SPWM波形，“Universal Bridge”为单相全桥电路，“powergui”为图形用户界面，“Scope”为波形显示模块，逆变控制采用SPWM双极性方式，L取值2 mH，C取值3.5 uF，仿真得到的电流输出波形见图4，FFT分析见图5．可以看出输出的电流波形不是很好，总谐波畸变率THD为10.8%．

3.2 采用LCL滤波的输出波形及其FFT分析

将LC滤波方式改为LCL方式，其他数据和模块不变，仿真得到电流输出波形见图 6，FFT分析见图 7．从图中可以看出输出的电流波形更加接近正弦波，总谐波畸变率THD为7.59%，而采用 LC方式滤波得到的总谐波畸变率 THD为10.8%．明显看出LCL方式的THD比LC方式小．

图4 电流输出波形图

图5 LC方式滤波时的FFT分析图

图6 电流输出波形图

图7 LCL方式滤波时的FFT分析图

表1 逆变器为不同滤波输出时的电流波形畸变率 %

为了更进一步说明问题，对滤波器采用 L、LC、LCL、两级LC、两级LCL、三级LC、三级LCL等几种情况下的输出电流进行了FFT分析，得到各自的电流波形畸变率，其数据见表 1，从结果可以看出，逆变器输出采用LCL方式的电流波形畸变率为 7.59%，是最小的．其他几种滤波方式的电流波形畸变率都高于它．

4 结语

对逆变电源在 SPWM 控制下滤波输出分别为 L、LC、LCL等几种情况进行了研究，在对LC参数进行了重定的情况下，认为在常用的无源滤波器中，采用LCL滤波方式，所获得的输出电流的正弦波效果最好，总的谐波畸变率最低，滤波方式采用有源滤波或混合滤波，本文没做研究，这将是下一步要研究的问题，另外，采用其他控制方式时输出波形的情况，本文也未作研究，这也是下一步将要做的工作．

[1]赵晋斌, 张元吉, 屈克庆, 等. 单相LCL并网逆变器控制策略综述[J]. 电工技术学报, 2013, 28(10): 134-142.

[2]王要强, 吴风江, 孙力, 等．阻尼损耗最小化的LCL滤波器参数优化设计[J]. 中国电机工程学报，2010, 30(27): 90-95.

[3]张小娥. LCL型单相光伏并网逆变器控制策略的研究[D]. 银川: 宁夏大学, 2014.

[4]胡赛纯. SPWM单相逆变电路的谐波分析[J]. 通信电源技术，2011, 28(3): 45-47.

[5]LI JIA-SHENG. The detection of harmonic and inter-harmonic caused by synchronization of small hydropower station[J].Information Technology Journal, 2013, 12(5): 1004-1010.

[6]李加升, 杨金辉, 肖卫初. 基于神经网络内模的岸电电源波形控制[J]. 高电压技术, 2012, 38(11): 3033-3040.

[7]徐顺刚, 许建平, 曹太强. SPWM逆变电源输出谐波分析及抑制方法研究[J]. 电子科技大学学报, 2010, 39(5): 701-705.

[8]LINDGREN M, SVENSSON J. Control of a voltage–source converter connected to the grid through an LCL-filterapplication to active filtering[C]. Power Electronics Specialists Conference, IEEE PESC, FUkuoda, Japan, 1998: 18-21.

(责任编校：蒋冬初)

Research of Grid Inverter Output Harmonic Suppression Based on Matlab

XIONG Jie,HU Sai-chun
(College of Information and Electronic Engineering, Hunan City University, Yiyang Hunan 413000, China)

Inverter is a crucial part of the new energy grid, but it causes a large number of harmonics in the waveform and has a serious impact on the power quality of the grid when it works in the grid-connecting mode. This paper discusses the harmonic suppression of filter output in inverter under the control of SPWM,mainly analyzing and comparing the filtering situation of several passive filters commonly used in engineering practice, providing the topological structure of full bridge inverter, building three kinds of mathematical model of filter, and also using the matlab software platform to simulate. By analyzing FFT of the output current, it finds that the total harmonic distortion rate is the lowest through LCL filter, which is a better method of filtering and has good application value in grid-connecting inverter.

inverter; passive filter; harmonic suppression; simulation

TM935.21

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0013

1672–7304(2017)03–0058–04

2017-05-11

湖南省教育厅科研项目(15C0250 )；湖南省自然科学基金项目(2017JJ2023)

熊洁(1979-)，男，湖南益阳人，讲师，硕士，主要从事电路与系统研究．E-mail: xiongjie_1979@126.com.