LCLCL型并網濾波器參數設計方法

張慧林+肖業偉

摘要：傳統的LCL型濾波器抑制高頻諧波的速度快， LLCL型濾波器內有串聯諧振支路，能使開關頻率諧波旁路。針對三相逆變并網系統并網電流的班開關頻率諧波問題和高頻諧波問題，本文提出一種新型的LCLCL型濾波器。通過在拓撲結構上結合LCL型濾波器和LLCL型濾波器中的串聯諧振支路，并對濾波器參數進行規范設計，以達到更好的濾波效果。最后進行三相逆變并網仿真，驗證了LCLCL型濾波器優越的正確性和有效性。

關鍵詞：LCLCL型濾波器；高頻諧波；參數設計

中圖分類號：TM46文獻標識碼：A

Abstract： The traditional LCL type filter can suppress the high frequency harmonics， and the LLCL filter can make the switching frequency harmonic bypass. In view of the class switching frequency harmonics and high frequency harmonics of the grid connected current of three-phase inverter， this paper proposes a new type of LCLCL filter. By combining the LCL type filter and the LLCL type filter in the series resonant branch， the filter parameters are designed to achieve a better filtering effect. Finally， three phase inverter simulation is carried out to verify the correctness and effectiveness of the LCLCL type filter.

Keywords： LCLCL filter； harmonic； parameter design

0 引言

隨著對電能質量的提高和逆變器的發展，濾波器成為了目前的熱點研究對象之一。對于濾波器的研究，不僅需要在成本、效率等方面進行考慮，同時為了保證電網的安全運行，對并網逆變器的電流質量也提出了越來越嚴格的要求，并制定了詳細的并網標準，如IEEE 1547-2008、UL1741等國際標準。這些國際標準從單次諧波含量、總諧波含量、直流分量和功率因數等方面對進網電能質量提出了嚴格的要求[1-4]。

隨著并網發電系統的發展，并網逆變器也朝著高效率、低損耗等方面發展。L型并網逆變器成本低，結構簡單，易于控制，但濾波效果較差。若增大電感值改善濾波效果，又會增大濾波器的體積和成本，影響逆變器的動態響應[5-6]。相對于L型濾波器，LCL型具有更好的高頻諧波衰減效果，能夠更好的改善電流質量，然而LCL型濾波器

往往只考慮入網電流的總諧波畸變率大小，如需使開關頻率及其整數倍頻率的諧波分量達到電網標準，則需加大濾波器參數，從而增加了逆變器的成本。為了讓開關頻率諧波滿足電網標準要求，有學者提出了LLCL型濾波器結構，LLCL型濾波器包含一個串聯諧振支路，用來旁路開關頻率諧波電流。但是LLCL型濾波器的高頻衰減速率為-20dB/十倍頻程，使得二倍開關頻率及其以上倍開關頻率難以滿足電網標準。因此，在現有濾波器的研究基礎上，分析探索新的濾波器拓撲，對于改善并網電能質量具有十分重要的指導意義以及應用價值[7]。

為了達到電網標準對高次諧波的要求，在LLCL濾波器的研究基礎上，提出一種新型的LCLCL濾波器拓撲結構以及參數設計該濾波器不僅具有旁路開關頻率諧波電流的優點，同時也克服了二倍開關頻率及以上倍頻率諧波衰減速率低的不足。本文首先介紹LCLCL濾波器的拓撲結構及其特點；其次建立數學模型，分析濾波特性；進而闡明參數設計步驟；最后，通過仿真驗證了本設計的良好的濾波特性。

1 數學模型

圖1為三相并網逆變器主電路拓撲，圖2為其中一相的LCLCL型濾波器拓撲結構，可以看成由一個LCL濾波器和串聯諧振支路組成。

其中： 為逆變器輸出電壓； 為電網電壓； 為逆變器電感； 為網側電感； 為串聯諧振支路電感； 為串聯諧振支路電容； 為濾波電容； 為逆變器側電感電流、 為網側電感電流； 為諧振支路和濾波電容支路總電流。

由圖2可推導出濾波器并網側電流 相對于輸入電壓 的的傳遞函數，如式（1）所示。

其中，

2 LCLCL濾波器特性分析

由圖可知：

1）LCLCL濾波器具有一個負諧振峰，能有效濾掉一次開關頻率諧波，保留了LLCL濾波器的優點；

2）LCLCL濾波器具有兩個正諧振峰，記為 ， ，同LLCL濾波器一樣，正諧振峰會導致系統諧振，為了有效地抑制諧振，可將阻尼電阻與諧振支路的濾波電容 進行串聯，能有效減小LCLCL濾波器的正諧振峰峰值，從而抑制諧振；

3）從圖中可以看出，LCLCL濾波器的高頻諧波衰減速率為-60dB/十倍頻程，克服了LLCL濾波器在高頻段衰減速率低的不足；

4）LCLCL濾波器包括一個LC串聯諧振支路，同樣能旁路開關頻率諧波電流，保留了LLCL濾波器的優點。

3 LCLCL濾波器參數設計

3.1 設計準則

當頻率小于2/3開關頻率時，LCLCL濾波器與LCL濾波器具有相同的相頻和幅頻特性。因此可參照LCL濾波器的參數設計方法來設計LCLCL濾波器的總濾波電容 、橋臂側電感 、以及網側電感 。其余參數 、 、 根據本文提出的公式進行設計。

下面以10kW三相逆變器為例，對濾波器參數進行設計。三相逆變器的參數如表1所示。

由上述結果可知，在相同參數條件下：LCLCL濾波器的開關頻率諧波幅值小于LLCL濾波器，說明LCLCL濾波器具有旁路開關頻率諧波電流的特性；LCLCL濾波器的二倍開關頻率諧波和三倍開關頻率諧波均要小于LLCL濾波器，說明LCLCL濾波器的高頻衰減特性要強于LLCL濾波器。上述仿真結果與理論分析保持一致，驗證了本文理論分析的有效性和正確性。

5 結論

本文提出了一種新的無源阻尼濾波器——LCLCL濾波器，其拓撲結構可以看成由一個LCL濾波器和一個串聯諧振支路組成，給出了該新型濾波器的頻率特性分析和參數設計。將其應用于三相逆變并網電路中，與LLCL濾波器對比，既具有LCL型濾波器-60dB/十倍頻程衰減速率的優點，又具有LLCL型濾波器的對開關頻率多次諧波的陷波作用。因此在相同參數條件下，LCLCL濾波器能實現更好的濾波效果。

本文提出的新型濾波器應用于三相并網逆變器中，取得了理想的效果。下一步研究將在LCLCL型濾波器的阻尼方法上展開，優化濾波效果并減小阻尼電阻帶來的功率損耗。

參考文獻

[1] Wu W， Sun Y， Lin Z， et al. A modified LLCL filter withthe reduced conducted EMI noise[J]. IEEE Transactionson Power Electronics， 2014， 29（7）： 3393-3402.

[2] IEEE Standard 1547-2003 . IEEE standard for

interconnecting distributed resources with electric powersystems[S].New York： The Institute of Electrical andElectronics Engineers， 2003.

[3]Lindgren M，Svensson J.Connecting fast switchingvoltage-source converters to the grid-harmonic distortionand its reduction[C]//Strock Power Tech Conference.Stockholm： IEEE， 1995： 191-195.

[4] 鄭昕昕，肖嵐，王長寶，等.三相變流器 LCL 濾波器參數優化新方法[J].中國電機工程學報， 2013， 33（12）：55-63.

[5] 王要強，吳鳳江，孫力，等.帶 LCL 輸出濾波器的并網逆變器控制策略研究[J].中國電機工程學報. 2011，31（12）： 34-39.

[6] Parikshith C ， Vinod J . Filter optimization for gridinteractive voltage source inverters[J].IEEE Transactionson Industrial Electronics，2010， 57（12）： 4106-4114.

[7] Bao Chenlei， Ruan Xinbo ，Wang Xuehua， et al.Step-by-step controller design for LCL-type gridconnectedinverter withcapacitorcurrentfeedbackactivedamping[J] . IEEE Transactions on PowerElectronics， 2014， 29（3）： 1239-1253.