一種面向PWM 逆變器的濾波器設計

李金釗

（新加坡南洋理工大學電子與電氣工程學院，新加坡 639798）

近年來，直流發電機成為了新能源技術的研究與應用趨勢之一，其區別于傳統的電磁交流發電機，利用半導體摩擦或光照而產生伏特效應的直流發電機具有易儲存、電流密度高、阻抗低等優點[1-4]。在直流發電機大規模應用場景下，脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）逆變器可以承擔直流發電機的功率控制和直流電到交流電的變換任務。然而，PWM 輸出的電壓會攜帶一些高頻的諧波，從而影響系統的穩定性[5-7]。針對PWM 逆變器輸出電壓諧波問題，通常的做法是在并網系統逆變器后增加一個具有開關損耗小、穩定性強、成本低的濾波器。文獻[8]構建離散數學模型來優化LC 濾波器的設計，以解決LC 濾波器在高壓電力設備中存在濾波運算復雜的問題；文獻[9]提出一種狀態反饋的有源阻尼控制方法，以此來解決三相并網逆變LCL 濾波器中的諧振問題；文獻[10]探索在弱電網下LCL 濾波器參數優化，提出包含數字延遲的并網逆變器下LCL 濾波原型。文中針對直流并網發電系統PWM 逆變器輸出電壓諧波的問題，分析了包含存儲電池和微控制器的直流發電系統以及LCL 濾波逆變器的基本原理；然后對帶有微控制反饋電路的逆變器拓撲結構以及濾波器測電流反饋單環控制進行了研究；最后對于濾波器測電流反饋的單環控制系統，完成根據諧振頻率可控范圍優化的濾波器參數設計。

1 系統與原理分析

1.1 直流發電系統概述

化石能源的枯竭和日益嚴重的環境問題催生了新能源技術的發展。并網發電系統將太陽光能[11]、海上風能[12]等新能源轉換為電能，并在系統內進行分布式并網發電，該系統的關鍵技術是將發電機的直流電轉化為電網所需的交流電。圖1 所示為一個典型的包含存儲電池和微控制器的直流發電系統，直流發電機通過整流器完成直流變換和電能增強控制，然后經過電纜傳輸給存儲系統和并網PWM 逆變器；并網PWM 逆變器將直流電轉換為交流電，通過控制開關將電能傳輸給負載和用電網絡；整個系統通過電力電子變換微控制器進行控制，包括給存儲系統進行充放電控制、控制整流器和逆變器以及調節輸出電能變換的控制，微控制器通常為數字微處理器芯片，其可以靈活控制電網電流轉換，從而提高直流發電系統的穩定性和可靠性，使得系統更加智能化。

圖1 典型的直流發電系統

1.2 LCL濾波逆變器原理分析

直流發電系統中PWM 逆變器輸出的高頻諧波一般采用由電感L與電容C構成無源輸出的濾波器進行濾波，其結構可以分為L 型、LC 型和LCL 型。三種類型的拓撲結構如圖2 所示。其中，結構簡單的L型濾波器利用電感高阻抗的特性將高頻諧波過濾，但其成本高且動態性能較差；而LC 濾波器可以過濾特定諧波，通常由于無阻尼或者欠阻尼的狀態極易產生電磁干擾。目前普遍使用的是LCL 濾波器，該濾波器相較于前面兩種電感值更小，濾波性能也有大幅度的增強[13-16]。

圖2 無源輸出濾波器的三種類型

LCL 濾波器主要結構包含了交流側電容C、逆變器側電感La和交流側電感Lb；由LCL 型濾波器的拓撲圖可以寫出其輸出電流Ib與輸出電壓Vo的傳遞函數：

根據傳遞函數可以繪制出LCL 濾波器的波特圖，如圖3 所示。LCL 濾波器相較于L 濾波器增加了濾波器電容，在高頻諧波出現時可以呈現出較高的阻抗，能有效抑制高頻諧波接入供電網絡。因此，LCL 濾波器適用于包含分布式電源、有控制系統的電力供電網絡。

圖3 LCL濾波器的波特圖

2 濾波器控制與參數設計

2.1 拓撲結構與數學建模

在直流并網發電系統中，文中以單相并網逆變器為研究模型，圖4 所示為帶微控制反饋電路的逆變器拓撲結構。在該結構中包含四個晶閘管S1-S4、電阻Ra和Rb、電感La和Lb、電容C、直流電源Vdc和交流輸出電壓Vac，V1為逆變輸出，vc為電容上的電壓，ic為經過電容的電流，Us為交流電壓，i1和i2分別為逆變器輸出電流與濾波器的輸出電流。拓撲圖中濾波器輸出后的信號是通過數字信號處理芯片（Digital Signal Processing，DSP）來進行控制和計算的，處理完成后將控制信號最終反饋給PWM 逆變器進行晶閘管的打開與關斷。與此同時，由于DSP 處理的是數字信號，前期需要由檢測調理電路、信號采樣電路進行信號采集，然后經過模數轉換傳輸給DSP。

圖4 含微控制反饋的逆變器電路拓撲圖

2.2 單環反饋控制設計

采用單環控制可以解決直接閉環控制時LCL 濾波器難以減少諧波的問題，通過對LCL 濾波器輸出后的電流進行反饋控制，完成系統的快速響應。濾波器側電流反饋單環控制圖如圖5 所示，可以得出其開環傳遞函數為：

圖5 濾波器側電流反饋單環控制圖

式中，KPWM是逆變器的等效傳遞函數。單環反饋控制通常采用微控制器進行數字化控制，進而使系統更加穩定。

2.3 濾波器參數優化

文中的濾波器參數設計主要涉及LCL 濾波器電路中的電感和電容值，需要綜合考慮衰減率等多種因素。此外，對于濾波器側電流反饋的單環控制系統，還可以根據諧振頻率可控范圍優化濾波器參數，詳細的設計步驟如圖6 所示。首先選用合適的控制方式進行諧振頻率和電流衰減比的選取，再檢查相關功率參數，最終完成電容和電感值的選擇。

諧振頻率在單環控制中被限制在0.5π～0.85π，諧振頻率確定后，則諧波電流衰減比與諧波次數的平方近乎成反比。電感值設計需要滿足由基波電壓壓降值帶來的下限值和并入電網諧波標準的上限值要求，所以總的電感值范圍為：

式中，P是逆變器輸出功率；Us為供電網絡有效電壓；f0為頻率；n為諧波發生次數；u(n)是逆變器側輸出電壓諧波幅值；l(n)為限制諧波幅值。其中，電容值限制條件如下所示：

式中，功率需要小于額定功率的5%。最終得到的參數設計結果如表1 所示。

表1 參數設計結果

3 仿真實驗

文中運用Matlab/Simulink 仿真工具建立了一個直流并網發電系統的實驗模型，通過實驗對以上所提出的面向PWM 逆變器濾波器設計方案進行可行性驗證。實驗中的模型參數設定如下：系統中直流發電機側輸出的直流電壓為700 V；用電網絡側輸出的交流電壓為220 V；開關頻率為3.2 kHz；而系統頻率為50 Hz。實驗過程中的頻譜分析結果如圖7 所示。實驗的總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）數據如表2 所示。文中的優化方案在濾波側電流的THD 為1.02%，相較于逆變器側電流的THD 減少了4.61%；而傳統方法的濾波側電流THD 為1.87%，相較于逆變器側電流的THD 減少了3.11%。

表2 實驗數據比較

圖7 頻譜分析圖

綜合實驗分析可知，文中面向PWM 逆變器的濾波器設計相較于傳統方法具有更小的THD 值，可以使PWM 逆變器輸出更為平滑的交流電。

4 結束語

文中在帶有電力電子變換微控制器和存儲結構的直流發電系統中，研究面向PWM 逆變器的濾波器設計方法，提出了一種可優化諧振頻率的LCL 濾波器，根據直流并網發電系統仿真實驗結果可得出：與傳統方法相比，該優化方法可以獲得更小的電感和電容值，總體的成本更低；所設計濾波器的THD 下降更大，有著良好的濾波效果。