三相并网逆变器滤波器研究

玄兆燕，贾万泳，景会成，赵 欣

(1.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210； 2.华北理工大学 电气工程学院，河北 唐山 063210； 3.唐山市拓又达科技有限公司，河北 唐山 063020)

0 引言

为保证电网的安全稳定运行，世界各国都对并网电流、电压等提出了严格要求，并由此制定的相关国际标准有UL1741[1]和IEEE Std 929—2000[2]，其从谐波含量、频率偏差等多方面对进网电流质量做了限定，保证了进入电网的电流符合并网要求，从而提高用电安全。

并网逆变器一般都采用脉宽调制(PWM)控制策略，从而产生高频开关谐波，因此需要在交流侧串入滤波器进行滤波。常用的滤波器结构有L、LC和LCL三种，它们的滤波性能和谐振抑制效果各有优缺点。文献[3]指出，为了减小电流纹波，采用L滤波器需增大电感，从而导致滤波器体积增大，成本增加。文献[4]指出，采用LC滤波器能有效抑制谐波和浪涌电流，但是其控制参数的取值差异会对滤波器动、静态特性带来很大影响。文献[5]指出，在相同滤波效果的情况下，LCL滤波器所需的总电感比L滤波器小，适合于大功率、开关频率低的并网设备。本文在各滤波器模型的基础上，对比分析了各滤波器的特点，并对LCL型滤波器进行优化，优化后的滤波器性能更好，更适合实际应用。

1 滤波器设计

1.1 L滤波器

并网逆变器的PWM控制技术虽然提高了控制精度，使控制策略变得灵活、动态响应快，但同时也引入了高频开关谐波。为了在滤除谐波的基础上节约成本，选择合适的滤波器就显得尤为重要。L滤波器以其结构简单，控制方便著称。图1为L滤波器的三相并网逆变器结构示意图。

为简化分析，以单相逆变器为例进行分析，其等效结构示意图如图2所示。

由基尔霍夫电压定律可得：

(1)

其中：ui为滤波器侧电压；L1为电感；ug为网侧电压；i1为电感电流。

图1 L滤波器的三相并网逆变器结构图2 L滤波器单相结构

将式(1)取拉氏变换，可得其传递函数为：

(2)

由分析可知，L滤波器控制简单，可调范围小，故在精确控制中很少使用。

1.2 LC滤波器

LC滤波器是在L滤波器的基础上并联一个电容，分流谐波电流，使滤波更彻底。其滤波特性主要由谐振频率决定，其谐振频率为：

(3)

其中：C1为滤波电容。

由图4可得：

(4)

其中：ig为网侧电流；ic为电容电流。

图3 LC滤波器电路模型图4 LC滤波器单相结构

忽略电网阻值，式(4)经拉氏变换可得LC传递函数为：

(5)

1.3 LCL滤波器

LCL滤波器具有比L滤波器更好的滤波特性，同时兼顾高频段增益与低频段衰减；相对于LC滤波器多串联一个L，能够使开关次谐波更容易流向滤波电容，抑制谐波的产生。图5为LCL滤波电路模型，其单相结构如图6所示。

图5 LCL滤波器电路模型图6 LCL滤波器单相结构

由图6可得：

(6)

其中：L2为滤波电感；i2为滤波电流。

由式(6)可得其传递函数为：

(7)

其谐振频率为：

(8)

为了抑制LCL滤波器的谐振，通常将滤波器的谐振频率最好设计在10倍基频和0.5倍开关频率之间，即：

(9)

其中：fn为基波频率；fsw为开关频率。

电容的容抗越小，无功功率越大，通常电容的无功功率被限制在系统额定功率的 15%以内，即：

(10)

其中：P为输出功率；U为电网电压。

在LCL的三个参数中，一定范围内，无论增加哪一个，都可以得到比原来更好的滤波效果。由于滤波电容在成本和体积上都优于电感，所以选用最大电容，即：

(11)

为了分流纹波电流，使更多的高频分量流过电容，在设计的滤波器中，C1的容抗XC1远小于L2的感抗XL2,一般为XC1=(0.1～0.2)XL2。

2 分析与优化

图7 L滤波器Bode图图8 LC滤波器Bode图图9 LCL滤波器Bode图

由图10可得无源滤波传递函数为：

(12)

图10 无源滤波结构示意图

无源滤波优化后的Bode图如图11所示。可以看出，采用无源滤波方法后，可以有效削减谐振尖峰，虽然使损耗增加，但无谐振后，输出电流质量提高，达到并网要求，也是一种可取的方法。

3 结语

建立了L滤波器、LC滤波器、LCL滤波器模型，对比分析了各滤波器的优缺点以及LCL滤波器的改进措施；证明了LCL的优越性，但对于其产生的谐振还需进一步研究。

图11 无源滤波优化后的Bode图

参考文献：

[1] UL 1741:Inverters,converters,and controllers for use in independent power systems[S].[s.l.]:Underwriters Laboratories Inc(UL),2001.

[2] IEEE Std 929-2000:IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic(PV) systems[S].[s.l.]:IEEE Standards Coordinating Committee,2000.

[3] 杜少武,赵钦,张胜.太阳能并网输出LCL滤波器的设计[J].电力电子技术,2009(11):16-17，65.

[4] 伍家驹,王祖安,刘斌,等.单相不控整流器直流侧LC滤波器的四维可视化设计[J].中国电机工程学报,2011(36):53-61，241.

[5] 刘飞,查晓明,段善旭.三相并网逆变器LCL滤波器的参数设计与研究[J].电工技术学报,2010(3):110-116.

[6] 何亮,王劲松.三相PWM逆变器输出LC滤波器设计方法[J].电气传动,2013(12):33-36.