基于LCL與LCLC型三相并網(wǎng)逆變器的研究

王靖喬 王國儒 熊 博 孫成國

（黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引言

隨著世界各國對(duì)于能源開發(fā)的不斷進(jìn)步，以及近幾年來國際石油價(jià)格的不斷上漲，新型清潔能源成為各國積極開發(fā)的新寵，光電能源的應(yīng)用已經(jīng)涉及生活的方方面面，尤其在航海與航空領(lǐng)域更是有了進(jìn)一步的需求。而在基于綠色能源對(duì)三相電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)中，首先需要解決的便是并網(wǎng)逆變的問題，由于逆變器有決定性的橋接作用，因此如何高效使用逆變器便成了一個(gè)亟待解決的問題。而在逆變系統(tǒng)中，由于高頻開關(guān)的出現(xiàn)會(huì)散發(fā)大量的高次諧波，進(jìn)而直接導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量下跌，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器[1]。目前常用的濾波器種類很多，均是由基礎(chǔ)的L型單電感濾波器發(fā)展而來，其中LC型濾波器的性能與L型濾波器基本相似。而LCL型濾波器相對(duì)一些復(fù)雜的濾波器而言，所用期間較少，且對(duì)高次諧波的濾除效果更好，擁有更強(qiáng)的諧波衰減性能，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較多。此外，近來還提出了對(duì)新型LCLC型濾波器的研究，其形式可以看作是2個(gè)LC型濾波器疊加在一起，相比LC型，其性能更加接近LCL型，且擁有更好的高頻性能[1]。

1 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 LCL濾波器的分析

三相LCL型濾波器的每相均由兩個(gè)電感元件以及一個(gè)電容和電阻元件構(gòu)成。和單電感型濾波器相比，該濾波器在高頻段擁有極強(qiáng)的諧波衰減性能的同時(shí)，其低頻段的衰減能力也與L型相似，和LC型濾波器相比，其又串聯(lián)了單個(gè)電感，使濾波電容能夠更容易吸收諧波，減少諧波的產(chǎn)生，LCL型逆變電路圖如圖1所示。

濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以推導(dǎo)出公式（1）。

式中：d、dt分別為時(shí)域中的微分算子，代表該電氣量對(duì)時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)。

由公式（1）可得LCL型濾波器的傳遞函數(shù)，如公式（2）所示

式中：s為拉氏變換中的微分形式；s為時(shí)域中的一階導(dǎo)數(shù)；s3為三階導(dǎo)數(shù)。

1.2 LCLC型濾波器分析

與LCL型濾波器類似，LCLC型濾波器在其基礎(chǔ)上多并聯(lián)了一個(gè)電容器，即濾波器的每相均由兩個(gè)電容，兩個(gè)電感以及一個(gè)阻尼繞組接線而成。濾波器通過使用雙電容濾波的方式，在進(jìn)一步剔除高次諧波的同時(shí)，稍微遏制了諧振點(diǎn)對(duì)于電路的影響，但由于額外增加了電容，因此在一定程度上降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。LCL型逆變電路圖如圖3所示。

濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

同理，根據(jù)濾波器結(jié)構(gòu)可以推導(dǎo)出公式（3）。

與LCL類似，經(jīng)過分析可得LCLC型濾波器的傳遞函數(shù)，如公式（4）所示。

2 LCL與LCLC濾波器對(duì)比分析

LCL型濾波器與LCLC型濾波器的波特圖如圖5所示。

通過對(duì)比不難得出結(jié)論，當(dāng)系統(tǒng)頻率處于未達(dá)到諧振峰值之前的低頻段時(shí)，兩種濾波器的幅值特性曲線相似，均與單電感型濾波器相同，以 20 dB/dec，即以一個(gè)積分斜率進(jìn)行衰減[3]。而當(dāng)系統(tǒng)頻率達(dá)到諧振峰值后，LCL 濾波器的開始以60 dB/dec，即三個(gè)積分斜率開始衰減，LCLC濾波器的衰減幅度顯然更大。此外，后者的諧振尖峰更低，即在諧振尖峰前，兩種濾波器的性能差別不大，而在諧振尖峰后，LCLC濾波器擁有更好的衰減性與濾波性能。

由此可得出結(jié)論，在濾波器的參數(shù)相同的情況下，LCLC 濾波器可以更有效地衰減和抑制高頻段的諧波。因此在同樣的諧波衰減要求下，其濾波器的等效電感要求要小于LCL濾波器。此外，通過波特圖可以看出，無論是LCL還是LCLC型濾波器，均在所需設(shè)備功率比較大的并網(wǎng)逆變條件下發(fā)揮能力更好。但同時(shí)由于無阻尼電路系統(tǒng)會(huì)存在諧振點(diǎn)，出現(xiàn)諧振尖峰，因此需要額外提高系統(tǒng)的阻尼，即提高LCL與LCL濾波器中的阻尼電阻的大小，進(jìn)而改善系統(tǒng)。

現(xiàn)如今解決阻尼問題的方法主要有兩種，增設(shè)器件的無源阻尼法與改變算法的有源阻尼法。相對(duì)而言無源阻尼法直觀便捷，它是通過直接在電路中增加阻尼電阻的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)的。這一方法由于不需要更改控制器的結(jié)構(gòu)，因此在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，此外如何串聯(lián)電阻對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與濾波特性也有著一定程度的影響，其中在電容支路中串聯(lián)電阻比其他部分無源阻尼法可控性更好[4]，但使用無源阻尼法的缺點(diǎn)是由于額外增加了電阻，系統(tǒng)的損耗被認(rèn)為提高了，系統(tǒng)效率有所降低。因此，需要對(duì)系統(tǒng)的最佳阻尼電阻進(jìn)行探尋，即對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)的效率進(jìn)行綜合考慮，以選擇合適的阻尼電阻。正常情況下，阻尼電阻可以選擇濾波電容容抗的三分之一。

而另一種方法，有源阻尼法，則是通過增加系統(tǒng)的控制算法，采用虛擬電阻之類的方法，進(jìn)而等效地增加阻尼。與無源阻尼相比，有源阻尼在一定程度上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，無須設(shè)置額外電阻，進(jìn)減少了系統(tǒng)的損耗。此外，通過對(duì)有源阻尼法進(jìn)行優(yōu)化，增加電容電流反饋環(huán)節(jié)，可以有效提升有源阻尼法的適用范圍。但與此同時(shí)，由于有了對(duì)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步復(fù)雜化，增設(shè)了更多的傳感器以及需要設(shè)置更多的控制參數(shù)，因此提高了逆變系統(tǒng)的成本，降低了其可靠性。

綜合考慮，該文通過在濾波電容支路處串聯(lián)電阻，即使用無源阻尼法來抑制系統(tǒng)的諧振，將比有源阻尼法適用性更強(qiáng)。

3 仿真結(jié)果

在模擬380 V供電電路中，分別接入LCL型與LCLC型兩種濾波器，測試其實(shí)際運(yùn)行能力。如果將LCL和LCLC型逆變器均設(shè)置為空載時(shí)開始運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行至0.05s處時(shí)將逆變器由空載狀態(tài)變?yōu)闈M載狀態(tài)，并增加阻尼電阻，經(jīng)過較短時(shí)間調(diào)節(jié)后，二者均可以正常運(yùn)作，且具有較快的響應(yīng)速度。

當(dāng)使用LCL與LCLC型濾波電路時(shí)，整體三相逆變電路均能夠正常運(yùn)行。當(dāng)線路從空載切換到滿載運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)施加比較大的擾動(dòng)。此時(shí)線路中必然產(chǎn)生較大的震蕩諧波，而二者均在極短的一段時(shí)間內(nèi)便可以從擾動(dòng)中恢復(fù)，并在濾波器的幫助下正常運(yùn)行。由于LCL和LCLC型逆變器在線路中的整體差距不大，即通過線路的三相并網(wǎng)電壓電流波形并不能完全對(duì)二者的特性進(jìn)行準(zhǔn)確判別，因此仍需要對(duì)線路分別進(jìn)行諧波分析，即對(duì)兩種濾波器運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)線路中的電流分別進(jìn)行分析，判斷線路本身產(chǎn)生的高次諧波值，對(duì)整體線路的抗干擾能力與穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以此來比較兩種濾波器的優(yōu)越性。

通過對(duì)LCL與LCLC型濾波電路電流進(jìn)行諧波分析，設(shè)定系統(tǒng)基波頻率為50Hz,頻率上限為2000Hz，并進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖6和圖7所示。

總諧波失真是指在線路因震蕩等原因產(chǎn)生二次以及更高頻諧波時(shí)，這些額外的諧波與原先輸入的波形只比，總諧波失真越小，則線路質(zhì)量越高。通過以50 Hz為基準(zhǔn)對(duì)線路進(jìn)行諧波分析不難看出，在2種濾波器作用下，線路產(chǎn)生的高次諧波占比均較低，其THD（總諧波失真)均在百分之一以下，代表系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，幾乎不受諧波影響。但和LCL型電路相比，LCLC逆變電路的高頻諧波的基波值更少，占比低于千分之一，與前文理論分析一致，即LCLC型濾波器可以更有效衰減和濾除高頻諧波，性能更加優(yōu)異。根據(jù)GBT14549電能質(zhì)量中對(duì)諧波的要求，電網(wǎng)中380V線路的THD值需要小于5%，在該次仿真中，兩種濾波器均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此數(shù)值。

因此不難看出兩種濾波器在正常使用的情況下，其濾波性能均足夠支持電網(wǎng)運(yùn)行以及大部分試驗(yàn)和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在選擇濾波器時(shí)，出于對(duì)經(jīng)濟(jì)型方面的考慮，可以選用適用范圍更廣的LCL型濾波器。而在需要高度精確性與穩(wěn)定性要求的情況下，應(yīng)選用濾波性能更強(qiáng)的LCLC型濾波器進(jìn)行替代，以獲得更優(yōu)越的性能。

4 結(jié)語

該文通過建立了LCL與LCLC濾波器的并網(wǎng)逆變電路與模型，對(duì)二者的優(yōu)缺點(diǎn)與波特圖特性進(jìn)行了對(duì)比分析。此外，還對(duì)LCL與LCLC兩種并網(wǎng)逆變電路進(jìn)行了仿真以及電流的諧波分析。并進(jìn)一步對(duì)其在工作運(yùn)行狀態(tài)下的高頻衰減與濾波特性進(jìn)行了驗(yàn)證分析，論證了LCL與LCLC型濾波器的適用范圍，但對(duì)阻尼問題的優(yōu)化仍需進(jìn)一步研究。