基于諧波頻譜的LCL濾波器性能分析

張建等

摘 要： 為了減少逆變器中的諧波干擾，常采用LCL濾波器，該濾波器性能優良，被廣泛采用，但目前LCL濾波器的電感電容仍然較大，系統成本仍較高，據此提出一種新型的設計方法，即通過逆變器輸出的高次諧波峰值及其頻譜，采用直線交截法依次獲得諧振頻率等相關濾波參數。與此同時，在此基礎上對基于諧波頻譜的LCL濾波器的各參數再次進行優化，然后通過與未經優化的LCL濾波器進行性能分析比較，從理論上揭示了該濾波器的優越性。最后通過在三相并網逆變器上進行實驗驗證，最終設計出了總電感電容較小，且滿足并網要求的LCL濾波器。

關鍵詞： 逆變器； LCL濾波器； 諧波頻譜； 參數優化

中圖分類號： TN713?34； TM464 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0016?03

Abstract： In order to reduce the harmonic interference in inverter， LCL filter was adopted and popularized due to its perfect performance， but at present， the inductance capacitance of the traditional LCL filter is still relatively large， so the system cost is high. In view of this， a new?type design procedure is proposed in this paper， with which high?order harmonic peak output by inverter and its spectrum are obtained， and resonant frequency and other related filtering parameters are got with the linear intercept method in proper order. On this basis， the various parameters of LCL filter are optimized again， and then the optimized filter is compared with unoptimized LCL filter to do further analysis. The superiority of the new?type filter was revealed. After experimental verification on three?phase grid?connected inverter， a new?type LCL filter that satisfied the requirements of LCL filter with small inductance capacitance was designed.

Keywords： inverter； LCL filter； harmonic spectrum； parameter optimization

0 引 言

人類社會的不斷進步導致各種地球上各類能源資源的急劇消耗，然而自然存在的能源資源又是有限的。社會各界大力尋求既可持續利用又無污染的替代能源，隨之而來風能、太陽能、生物能、潮汐能等新型能源得到了較好的開發利用。同時逆變器的使用引入了大量諧波，使電能質量變差，難以滿足生產生活需要。目前在逆變器中常用諧波處理方法是LCL濾波器，該濾波器濾波效果好、性能佳，因此被廣泛應用。文獻[1]針對LCL型濾波器在無阻尼時易振蕩現象，采用被動阻尼法使系統更穩定；文獻[2]提出了一種電壓環、功率環和電容電流環的三環控制策略，使濾波系統更加完善；文獻[3]通過研究濾波器各參數變化與紋波抑制和諧振頻率之間的變化關系，設計出了在濾波效變的情況下，通過改變濾波電感[L1]、[L2]的值，即當濾波電感[L1]大于濾波電感[L2]時設計出滿足并網要求且諧波含有量較少的濾波器。根據最優的LCL濾波器的參數值，本文在LCL濾波器的基礎上提出了基于諧波頻譜的LCL濾波器，并與未經處理LCL濾波器進行性能比較，仿真結果和樣機測試均證明了該方法的性能優越性。

1 SVPWM及其諧波分析

圖1為三相并網逆變器并網拓撲結構圖，其中VT是功率開關管，VD是續流二極管，[iPV]是從太陽能電池板直接輸出的直流電，[L1]是逆變器側電感，[L2]是網側電感，[Ca，b，c]是濾波電容，[Usa，b，c]分別代表三相電網的相電壓，[i2a，b，c]分別代表網側相電流，[Cdc]是直流母線電容。

2 濾波器設計

首先采用直線交截法如圖4所示，且根據上述仿真諧波頻譜可以得到諧振頻，[fres=1 100 Hz]。

3 實驗驗證

在額定容量17 kV·A的三相并網逆變器樣機上其電路拓撲如圖1所示，給定電網額定電壓230 V，直流電壓580 V，調制頻率5 kHz。本文設計出的LCL濾波器其主要參數為[C2]=22 μF，[L1=0.81 mH]，[L2=0.98 mH]。通過與未經優化的LCL濾波器即濾波器參數為[C2]=25 μF，[L1=0.91 mH]，[L2=1.22 mH]進行對比分別得到了并網電流的a相波形圖如圖5所示。

4 結 語

本文所提出的LCL濾波器區別于傳統的濾波器的設計，其主要依據諧波頻譜進行相關參數設計。其性能相較于傳統的LCL濾波器，具有濾波電感電容更小，性能更為優越的特點，符合實際應用。

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