光伏并網(wǎng)逆變器中濾波器的設計與研究

許瀅 王永鋒 趙永彬

摘 要：光伏發(fā)電系統(tǒng)中存在著大量的非線性器件和負載，其對電網(wǎng)帶來嚴重的諧波污染。為了有效地抑制諧波污染，本文提出了一種新的無源濾波器的結構設計，并且建立了一個交直交變流器與無源濾波器的Simulink仿真模型。通過比較接入無源濾波器前后電流和電壓的變化，對電流和電壓波形進行傅里葉變換，得到它的頻譜分析曲線。仿真結果表明：該濾波器的設計方法具有可行性和有效性，能夠很好地抑制光伏逆變器DC/AC變換后諧波分量，并且滿足當前電力系統(tǒng)的要求。

關鍵詞：光伏逆變器；無源濾波器；傅立葉變換

0 引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)中存在著大量的非線性器件和負載，其對電網(wǎng)帶來嚴重的諧波污染。為了有效地提高電能質(zhì)量，潔凈電網(wǎng)，電網(wǎng)諧波治理問題已經(jīng)愈來愈引起國內(nèi)外學者和專家關注[1]。

濾波器具有消除諧波和提供無功補償?shù)墓δ埽谥卫碇C波的問題上處于重要的位置。傳統(tǒng)的濾波器分為有源濾波器和無源濾波器。有源濾波器存在著高成本、功能單一等缺點的限制，同時光伏發(fā)電系統(tǒng)受陽光、溫度等不確定因素的影響比較大，使得光伏陣列的直流母線利用率較低[2]。無源濾波器因其結構簡單、設備投資少、運行可靠性高、運行費用低等優(yōu)點，成為電力系統(tǒng)中最普遍的諧波抑制設備[3]。在交流系統(tǒng)中，無源濾波器不僅可以起到濾波作用，而且還可以兼顧無功補償?shù)男枨蟆Ｒ虼怂蔀閭鹘y(tǒng)的補償無功和抑制諧波的主要手段。

本文提出了一種新的無源電力濾波器，理論分析了該無源濾波器的可行性。利用Simulink搭建系統(tǒng)仿真模型，同時采集濾波前和濾波后的電壓、電流量，分別對其進行傅立葉變換，得到相應的頻譜分析曲線。仿真結果表明，該無源濾波器能夠很好地抑制光伏逆變器DC/AC變換后諧波分量。

1 無源濾波器的結構設計

無源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結構是將電感與電容串聯(lián)[4]。本文中無源濾波器是通過電感、電容和電阻一系列的串并聯(lián)來達到濾波的效果，其結構簡圖如圖1所示。

圖1中所示的U、V、W分別代表光伏逆變器輸出的三相交流電。由于這其中含有很高的高頻分量，因此我們通過必須接入三相無源濾波器，濾去當中的諧波分量來滿足電力系統(tǒng)的要求。其中，電感L10和L20是含有電阻性的電感，L1是純電感，串聯(lián)在電網(wǎng)當中的電感L1主要是濾去電網(wǎng)中電壓的諧波分量。無源濾波器作為低通濾波器，頻率高于其諧振頻率的高次諧波將會被抑制。選用該濾波器，流經(jīng)電網(wǎng)的高頻分量會明顯地衰減。電阻R的值越大，濾波器的阻尼作用越大，但阻值越大，其損耗越大，在選擇時應綜合考慮。電感L越大，濾波效果越明顯，但電感L上的壓降越大，無功損耗增多。電容越大，補充系統(tǒng)的無功越大，但從而降低系統(tǒng)的效率。所以，在無源濾波器的選擇過程中，應酌情考慮。

2 無源濾波器的模型建立與仿真

為了驗證第1節(jié)中無源濾波器的可行性，參照圖1利用Matlab中Simulink軟件建立交直交系統(tǒng)仿真模型，仿真模型如圖2所示。其中逆變器單元是I光伏逆變器，filter1、filter2、filter3分別與L1、L2、L3共同組成三相無源濾波器。已知的參數(shù)：光伏逆變器的輸入直流電壓為750V，開關頻率為2500Hz，負載功率為500kW，額定電壓為380V，頻率為50Hz、電感L1、L2、L3的參數(shù)為0.5H。

系統(tǒng)采用無源濾波器前逆變器輸出的電壓和電流波形，以及無源濾波器中電感L1與并聯(lián)在母線當中的電感電阻和電容組成電路的電壓和電流波形，從而來分析無源濾波器中各項器件的功能。

3 結論

本文簡單闡述了光伏發(fā)電諧波產(chǎn)生的原因，針對光伏發(fā)電的工作環(huán)境和特點，提出了一種新的無源電力濾波器，理論分析了該無源濾波器的可行性。利用Simulink搭建系統(tǒng)仿真模型，同時采集濾波前和濾波后的電壓、電流量，分別對其進行傅立葉變換，得到相應的頻譜分析曲線。仿真結果表明，該無源濾波器的效果能把系統(tǒng)的THD降低，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電源質(zhì)量，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。

參考文獻

[1]徐志英，許愛國，謝少軍. 采用LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)入網(wǎng)電流控制技術[J].中國

電機工程學報，2009，29（27）：37-41.

[2]沈國橋，徐德鴻.LCL濾波并網(wǎng)逆變器的分裂電容法電流控制[J].中國電機工程學報，2008，28（18）：36-41.