基于LCL与LCLC型三相并网逆变器的研究

王靖乔 王国儒 熊 博 孙成国

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引言

随着世界各国对于能源开发的不断进步，以及近几年来国际石油价格的不断上涨，新型清洁能源成为各国积极开发的新宠，光电能源的应用已经涉及生活的方方面面，尤其在航海与航空领域更是有了进一步的需求。而在基于绿色能源对三相电网进行并网发电的系统中，首先需要解决的便是并网逆变的问题，由于逆变器有决定性的桥接作用，因此如何高效使用逆变器便成了一个亟待解决的问题。而在逆变系统中，由于高频开关的出现会散发大量的高次谐波，进而直接导致电网电能质量下跌，系统的稳定性降低，因此需要设计相应的滤波器[1]。目前常用的滤波器种类很多，均是由基础的L型单电感滤波器发展而来，其中LC型滤波器的性能与L型滤波器基本相似。而LCL型滤波器相对一些复杂的滤波器而言，所用期间较少，且对高次谐波的滤除效果更好，拥有更强的谐波衰减性能，在实际生产中应用较多。此外，近来还提出了对新型LCLC型滤波器的研究，其形式可以看作是2个LC型滤波器叠加在一起，相比LC型，其性能更加接近LCL型，且拥有更好的高频性能[1]。

1 滤波器设计

1.1 LCL滤波器的分析

三相LCL型滤波器的每相均由两个电感元件以及一个电容和电阻元件构成。和单电感型滤波器相比，该滤波器在高频段拥有极强的谐波衰减性能的同时，其低频段的衰减能力也与L型相似，和LC型滤波器相比，其又串联了单个电感，使滤波电容能够更容易吸收谐波，减少谐波的产生，LCL型逆变电路图如图1所示。

滤波器的基本结构如图2所示。

通过滤波器的网络结构可以推导出公式（1）。

式中：d、dt分别为时域中的微分算子，代表该电气量对时间进行求导。

由公式（1）可得LCL型滤波器的传递函数，如公式（2）所示

式中：s为拉氏变换中的微分形式；s为时域中的一阶导数；s3为三阶导数。

1.2 LCLC型滤波器分析

与LCL型滤波器类似，LCLC型滤波器在其基础上多并联了一个电容器，即滤波器的每相均由两个电容，两个电感以及一个阻尼绕组接线而成。滤波器通过使用双电容滤波的方式，在进一步剔除高次谐波的同时，稍微遏制了谐振点对于电路的影响，但由于额外增加了电容，因此在一定程度上降低了系统的稳定性[2]。LCL型逆变电路图如图3所示。

滤波器的基本结构如图4所示。

同理，根据滤波器结构可以推导出公式（3）。

与LCL类似，经过分析可得LCLC型滤波器的传递函数，如公式（4）所示。

2 LCL与LCLC滤波器对比分析

LCL型滤波器与LCLC型滤波器的波特图如图5所示。

通过对比不难得出结论，当系统频率处于未达到谐振峰值之前的低频段时，两种滤波器的幅值特性曲线相似，均与单电感型滤波器相同，以 20 dB/dec，即以一个积分斜率进行衰减[3]。而当系统频率达到谐振峰值后，LCL 滤波器的开始以60 dB/dec，即三个积分斜率开始衰减，LCLC滤波器的衰减幅度显然更大。此外，后者的谐振尖峰更低，即在谐振尖峰前，两种滤波器的性能差别不大，而在谐振尖峰后，LCLC滤波器拥有更好的衰减性与滤波性能。

由此可得出结论，在滤波器的参数相同的情况下，LCLC 滤波器可以更有效地衰减和抑制高频段的谐波。因此在同样的谐波衰减要求下，其滤波器的等效电感要求要小于LCL滤波器。此外，通过波特图可以看出，无论是LCL还是LCLC型滤波器，均在所需设备功率比较大的并网逆变条件下发挥能力更好。但同时由于无阻尼电路系统会存在谐振点，出现谐振尖峰，因此需要额外提高系统的阻尼，即提高LCL与LCL滤波器中的阻尼电阻的大小，进而改善系统。

现如今解决阻尼问题的方法主要有两种，增设器件的无源阻尼法与改变算法的有源阻尼法。相对而言无源阻尼法直观便捷，它是通过直接在电路中增加阻尼电阻的方式进行调节的。这一方法由于不需要更改控制器的结构，因此在实际工业生产中得到了广泛应用，此外如何串联电阻对整个系统的稳定性与滤波特性也有着一定程度的影响，其中在电容支路中串联电阻比其他部分无源阻尼法可控性更好[4]，但使用无源阻尼法的缺点是由于额外增加了电阻，系统的损耗被认为提高了，系统效率有所降低。因此，需要对系统的最佳阻尼电阻进行探寻，即对系统的稳定性与系统的效率进行综合考虑，以选择合适的阻尼电阻。正常情况下，阻尼电阻可以选择滤波电容容抗的三分之一。

而另一种方法，有源阻尼法，则是通过增加系统的控制算法，采用虚拟电阻之类的方法，进而等效地增加阻尼。与无源阻尼相比，有源阻尼在一定程度上对系统进行了优化，无须设置额外电阻，进减少了系统的损耗。此外，通过对有源阻尼法进行优化，增加电容电流反馈环节，可以有效提升有源阻尼法的适用范围。但与此同时，由于有了对控制系统的进一步复杂化，增设了更多的传感器以及需要设置更多的控制参数，因此提高了逆变系统的成本，降低了其可靠性。

综合考虑，该文通过在滤波电容支路处串联电阻，即使用无源阻尼法来抑制系统的谐振，将比有源阻尼法适用性更强。

3 仿真结果

在模拟380 V供电电路中，分别接入LCL型与LCLC型两种滤波器，测试其实际运行能力。如果将LCL和LCLC型逆变器均设置为空载时开始运行，当运行至0.05s处时将逆变器由空载状态变为满载状态，并增加阻尼电阻，经过较短时间调节后，二者均可以正常运作，且具有较快的响应速度。

当使用LCL与LCLC型滤波电路时，整体三相逆变电路均能够正常运行。当线路从空载切换到满载运行时，会对系统施加比较大的扰动。此时线路中必然产生较大的震荡谐波，而二者均在极短的一段时间内便可以从扰动中恢复，并在滤波器的帮助下正常运行。由于LCL和LCLC型逆变器在线路中的整体差距不大，即通过线路的三相并网电压电流波形并不能完全对二者的特性进行准确判别，因此仍需要对线路分别进行谐波分析，即对两种滤波器运行时的系统线路中的电流分别进行分析，判断线路本身产生的高次谐波值，对整体线路的抗干扰能力与稳定性进行分析，以此来比较两种滤波器的优越性。

通过对LCL与LCLC型滤波电路电流进行谐波分析，设定系统基波频率为50Hz,频率上限为2000Hz，并进行仿真，其结果如图6和图7所示。

总谐波失真是指在线路因震荡等原因产生二次以及更高频谐波时，这些额外的谐波与原先输入的波形只比，总谐波失真越小，则线路质量越高。通过以50 Hz为基准对线路进行谐波分析不难看出，在2种滤波器作用下，线路产生的高次谐波占比均较低，其THD（总谐波失真)均在百分之一以下，代表系统稳定性较高，几乎不受谐波影响。但和LCL型电路相比，LCLC逆变电路的高频谐波的基波值更少，占比低于千分之一，与前文理论分析一致，即LCLC型滤波器可以更有效衰减和滤除高频谐波，性能更加优异。根据GBT14549电能质量中对谐波的要求，电网中380V线路的THD值需要小于5%，在该次仿真中，两种滤波器均远远小于此数值。

因此不难看出两种滤波器在正常使用的情况下，其滤波性能均足够支持电网运行以及大部分试验和设备的稳定运行。因此，在选择滤波器时，出于对经济型方面的考虑，可以选用适用范围更广的LCL型滤波器。而在需要高度精确性与稳定性要求的情况下，应选用滤波性能更强的LCLC型滤波器进行替代，以获得更优越的性能。

4 结语

该文通过建立了LCL与LCLC滤波器的并网逆变电路与模型，对二者的优缺点与波特图特性进行了对比分析。此外，还对LCL与LCLC两种并网逆变电路进行了仿真以及电流的谐波分析。并进一步对其在工作运行状态下的高频衰减与滤波特性进行了验证分析，论证了LCL与LCLC型滤波器的适用范围，但对阻尼问题的优化仍需进一步研究。