新能源并網逆變器用復合型輸出LLCL型濾波器的改進

新能源并網逆變器用復合型輸出LLCL型濾波器的改進

程超，汪飛，許德志，阮毅

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海200072)

摘要：通過對單相并網逆變器輸出側電流諧波的分析表明，在逆變器輸出側的電流諧波主要集中在開關頻率和開關頻率的整數倍處，其中開關頻率處的諧波含量最大。為了更大程度地對開關頻率處的諧波進行抑制而選擇LLCL濾波器。由于系統諧振尖峰的存在，考慮成本低和簡單的特點，所以選擇無源阻尼法來抑制系統諧振尖峰。為了減小阻尼損耗而選擇了電感和電阻并聯方式。根據LCL濾波器能夠在大于2倍開關頻率區間表現的良好濾波能力以及LLCL濾波器在開關頻率處能夠更大程度地抑制電流諧波的特征，將二者結合產生了復合型LLCL濾波器。最后用仿真和試驗證明： 復合型LLCL濾波器在濾波效果以及阻尼損耗方面表現出的相對優越性。

關鍵詞：逆變器; LLCL濾波器; 串聯諧振; 開關頻率

通訊作者：程超

中圖分類號：TM 464文獻標志碼： A

收稿日期:2014-12-09

A Composite LLCL Filters of Grid-Connected Inverters for

Renewable Energy Application

CHENGChao,WANGFei,XUDezhi,RUANYi

(School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University， Shanghai 200072, China)

Abstract：Based on harmonic analysis of the output current of a single-phase grid-connected inverter, the output current harmonics mainly concentrate at the switching frequency and its integer multiple harmonics. And the harmonics at switching frequency is the most. To damp the harmonics at switching frequency greatly, LLCL filter was chosen. Due to the resonance peak, considering the low cost and simplicity, passive damping methods were selected to suppress the resonance peak. In order to reduce the losses on the damping components, an inductor and a resistor in parallel were adopted. According to the good filtering performance above twice the switch frequency of LCL filters and the better filtering characteristics of current harmonics at the switching frequency of an LLCL filter, a composite LLCL filter was investigated. Simulations and experimental results proved that the composite LLCL filter had better filtering effect and less damping losses by combining the two types of filters.

Key words： inverter; LLCL filter; series resonant; switching frequency

0引言

在國際不可再生能源日益匱乏的背景下，以風力發電和太陽能發電等為代表的新能源并網發電技術顯得越來越重要[1-2]。作為新能源并網發電的核心部分——并網逆變器，需要通過濾波器與電網連接，達到阻止電流諧波進入電網而造成電網的不穩定和損壞。因此如何設計更有效的濾波器來獲得高質量的進網電流顯得格外重要。

并網電流高次諧波主要集中在逆變器開關頻率及其整數倍頻率處。在這些諧波中開關頻率處的諧波電流幅值最大，所以如果能夠更大程度地除去開關頻率處的諧波電流顯得非常重要。LLCL濾波器通過在LCL濾波器的電容支路串聯一個小電感而達到LC串聯諧振，諧振頻率設置在開關頻率處，從而能夠更大程度地抑制開關頻率處的諧波。LCL濾波器相對于LLCL濾波器來說，對開關頻率處的諧波抑制要顯得不足，在1/2倍開關頻率之前與LLCL濾波器具有相同的濾波效果，但是在2倍開關頻率之后的濾波效果要優于LLCL濾波器。依據兩者的這些特點，將二者結合起來得到復合型LLCL濾波器。目前抑制LCL濾波器諧振的方法主要有無源阻尼法[5-6]和有源阻尼法[7-9]。考慮到無源阻尼法的成本低和簡單性而選用無源阻尼法。為了減少阻尼損耗，本文采用電感與電阻并聯的形式。仿真和試驗結果表明： 復合型LLCL濾波器能夠結合LCL和LLCL濾波器的各自優點，對高頻諧波能夠達到LLCL濾波器的良好濾波效果，同時產生相對更小的阻尼損耗。

1LLCL濾波器工作原理

基于風力和光伏發電的LLCL型單相并網逆變器的等效電路如圖1所示。LLCL型濾波器是在傳統LCL濾波器的電容支路串聯一個電感，使LC支路在開關頻率處發生串聯諧振，此時LC支路阻尼接近為零，從而可以對逆變器輸出在開關頻率處的電流諧波起到較好的濾波效果。

圖1　基于LLCL型并網逆變器的拓撲結構

圖1中，逆變器輸出電壓和電流為ui和ii，網側電壓和電流為ug和ig。開關頻率為fs或ωs，電網視為理想電壓源。采用單相全橋逆變器雙極性SPWM調試時，逆變器輸出電壓ui包含基波電壓和開關頻率整數倍處的高次諧波電壓。

逆變器輸出電流諧波成分如圖2所示。這是在調制比α=0.6、載波比N=320、直流母線電壓Udc=200V、開關頻率fs=16kHz條件下的逆變器輸出電流諧波組成情況。可知開關頻率處的諧波含量最大，為基波的0.7%。式(3)為LLCL型逆變器的輸出電壓ui(s)至并網電流ig(s)的傳遞函數，如果式(3)中的Lf被設為零，則可以獲得LCL濾波器的傳遞函數。

圖2　逆變器輸出電流諧波成分

(3)

圖3展現了LCL與LLCL濾波器傳遞函數ig(s)/ui(s)的頻域圖對比情況。由圖3可知，相比LCL濾波器來說,LLCL濾波器能夠更大限度地濾除開關頻率fs處的電流諧波。

圖3　LCL與LLCL濾波器的傳遞函數 i g(s)/u i(s)的頻域圖對比

2一種復合型LLCL濾波器

由圖3可知: 相對于LCL濾波器來說，LLCL濾波器多了一個頻率等于開關頻率ωs的諧振點。同時在濾波性能方面，在1/2開關頻率之內LCL型濾波器與LLCL型濾波器具有幾乎相同的濾波特征。在開關頻率處，LLCL濾波器能夠達到更佳的濾波效果。但是在大于2倍開關頻率的情況下，LLCL型濾波器相對于LCL型濾波器的濾波性能要顯得不足，為-20dB/decade。

由于LCL和LLCL均是高階系統而產生系統的諧振尖峰(見圖3)，為了抑制諧振尖峰可以采用直接在LC支路串聯電阻Rd的方法。由于所有經過LC的高次諧波電流都經過Rd，所以會造成較大的阻尼功率損耗。因此可以采用如圖4所示L(L||R)CL濾波器來對系統尖峰進行抑制，可以減小阻尼的損耗。圖5所示為圖4中L(L||R)CL與圖1中LLCL濾波器的頻域圖對比。

圖4　L(L||R)CL濾波器結構

圖5　L(L||R)CL與LLCL濾波器傳遞函數 i g(s)/u i(s)的頻域圖對比

由圖5可知，L(L||R)CL濾波器能夠有效地抑制系統的諧振頻率，且隨著諧波頻率的不斷增大，其對高次諧波的抑制能力在不斷增強。這是由于當諧波頻率越來越大時，電感Lf的阻尼在不斷增大，而Rd阻尼不受諧振頻率影響且低阻尼的支路更有利于諧波的濾波，諧波會從Rd流過，從而相對于LLCL濾波器來說，在高頻段L(L||R)CL濾波器對高次諧波的濾波效果更好。

綜上所述，在濾波方面L(L||R)CL濾波器能夠有效抑制系統諧振尖峰且能夠在開關頻率處達到良好的濾波效果，同時又能夠相對減少由于電阻Rd的阻尼而帶來的損耗。LCL濾波器在開關頻率處的濾波效果要遜于L(L||R)CL濾波器，但在大于2倍開關頻率階段對高次諧波的抑制能力(-60dB/decade)要優于L(L||R)CL濾波器，所以可以將LCL與L(L||R)CL的各自優點結合起來，得到如圖6所示的復合型LLCL濾波器結構。

圖6　復合型LLCL濾波器結構

圖6中，在L(L||R)CL濾波器中Lf-Cf-Rd支路并聯一個電容Cd而得到復合型LLCL濾波器，如圖7所示是LCL、L(L||R)CL和復合型LLCL濾波器傳遞函數ig(s)/ui(s)的頻域圖對比情況。

圖7　LCL、L(L||R)CL和復合型LLCL濾波器傳遞 函數i g(s)/u i(s)的頻域圖對比

由圖7可知，復合型LLCL濾波器能夠對諧波尖峰達到良好抑制的效果，且在開關頻率處的濾波能力較強，依據20lg|ig(s)/ui(s)|=M，取開關頻率處M=-70，得|ig(s)/ui(s)|=10-3.5，因此，理論上幾乎完全濾除了開關頻率處的高次諧波。同時在大于2倍開關頻率頻段，復合型LLCL濾波器能夠達到-60dB/decade的濾波效果，要優于L(L||R)CL型濾波器。

3主要參數設計

不考慮Rd時，圖6所示的復合型LLCL濾波器從逆變器輸出電壓ui到電網側電流ig的傳遞函數為

(4)

其中：

a=L1L2LfCfCd

b=L1L2(Cf+Cd)+LfCf(L1+L2)

c=L1+L2

α=LfCf

由傳遞函數計算得到復合型LLCL濾波器的兩個諧振頻率點ω1和ω2的表達式分別為式(5)和式(6)。

(5)

(6)

參數設計主要按如下步驟[10]:

(1) 逆變器側電感L1的選擇。逆變器側電感L1的主要作用是抑制逆變器側電流紋波，要求：

(7)

式中：Iref——額定參考電流峰值。

(2) 電容Cf和Cd的選擇。電容Cf和Cd增加了濾波器系統的容性無功功率。在額定負載下，限制無功功率值小于額定功率值的5%。

(8)

式中：Pe——額定功率。

(3) 由于LC支路在開關頻率處發生諧振，則：

(9)

(4) 網側電感L2的選擇。為了避免諧振點對系統的影響，可以設置ω1取值在10ω0和1/2ωs之間，ω2取值在ωs和2ωs之間且最大可能接近1.5ωs處。

(5) 阻尼電阻Rd的選擇。為了觀察電阻Rd對復合型LLCL濾波器濾波效果的影響，對不同電阻Rd的復合型LLCL濾波器傳遞函數ig(s)/ui(s)做了頻域分析，如圖8所示。

圖8　不同電阻R d的復合型LLCL濾波器 傳遞函數i g(s)/u i(s)頻域圖

由圖8可知，當Rd過小時，不利于濾波器對開關頻率處諧波的濾波；當Rd過大時又不利于對系統的阻尼效果和系統的穩定性。在電阻取值時要綜合考慮系統穩定和濾波效果兩方面因素。

(6)根據IEEE 519—1992要求，在開關頻率及其整數倍處邊帶的諧波要被衰減到0.3%以下。對于復合型LLCL濾波器來說，由于Lf-Cf諧振支路的存在使得在開關頻率處邊帶諧波的大小能夠很容易滿足要求，所以這時只要要求在2倍開關頻率處的邊帶諧波能夠滿足要求即可，如式(10)。其中J1(2πα)、J3(2πα)和J5(2πα)表示在頻率(2ωs+ω0)、(2ωs+3ω0)和(2ωs+5ω0)處相應的邊帶諧波。

(10)

4仿真分析

為了證明以上所提到的濾波器方案的有效性，使用仿真軟件對L(L||R)CL和復合型LLCL濾波器做出仿真對比。其中，Udc=200V，fs=16kHz，其他的參數如表1所示。仿真結果如圖9所示。

表1　參數列表

圖9　L(L||R)CL和復合型LLCL濾波器仿真波形

由圖9(b)可知L(L||R)CL逆變器網側電流峰值大小為10A，網側的THD為0.625%；圖9(c)中復合型LLCL逆變器的網側峰值電流大小為10A，網側的THD為0.56%；圖9(d)、圖9(e)中，L(L||R)CL逆變器通過阻尼電阻的電流有效值大小為0.33A。復合型LLCL型逆變器通過阻尼電阻的電流有效值大小為0.28A。阻尼功率與通過電阻電流的平方成正比，復合型LLCL濾波器的阻尼損耗要比L(L||R)CL的阻尼損耗小。

如圖9(f)、圖9(g)，在諧振頻率處復合型LLCL濾波器的濾波效果沒有L(L||R)CL濾波器好，但由表2可知，復合型LLCL濾波器對開關頻率處及以上諧波的濾波效果要優于L(L||R)CL濾波器。總的來說LLCL濾波器的濾波效果略優于L(L||R)CL的濾波器。

表2　網側電流中高次諧波占基波百分比

5試驗結果

為了驗證仿真結果的正確性，本文進行了試驗驗證。選取的參數與仿真中參數相同。圖10為L(L||R)CL和復合型LLCL濾波器試驗波形。

如圖10(a)、圖10(b)，L(L||R)CL濾波器網側電流的THD=7.11%，復合型LLCL濾波器網側電流的THD=6.67%。復合型LLCL濾波器總的濾波效果稍好一些。如圖10(c)、圖10(d)，在系統諧振點處，復合型LLCL濾波器總的濾波效果稍差一些(L(L||R)CL的諧振頻率為5.63kHz，復合型LLCL的諧振頻率為4.77kHz，)。如圖10(e)、圖10(f)，在開關頻率處，復合型LLCL濾波器濾波效果稍好一些。

圖10　L(L||R)CL和復合型LLCL濾波器試驗波形

6結語

本文根據LCL濾波器在大于2倍開關頻率處的良好濾波能力，以及L(L||R)CL濾波器能夠更大程度地對串聯諧振頻率處的電流諧波進行衰減，同時具有對系統諧振尖峰抑制的良好效果的功能，而提出將二者結合起來得到復合型LLCL濾波器。在仿真試驗中證明了復合型LLCL濾波器具有更好的濾波效果，網側電流THD相對于L(L||R)CL更小；同時在阻尼損耗方面更優于L(L||R)CL濾波器。另一方面，復合型LLCL濾波器也有不足，即增加了一個濾波電容。所以，本文從方法研究角度進行了LLCL濾波器的性能改進，在實際應用中需根據成本、體積、性能等因素綜合考慮和選用。

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