文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174891
中文引用格式： 賀金玉，魏金成，郭筱瑛，等. 并網(wǎng)逆變器LCL濾波器最優(yōu)參數(shù)選取方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(9)：146-149.
英文引用格式： He Jinyu，Wei Jincheng，Guo Xiaoying，et al. LCL filter optimal parameter selection method for grid-connected inverter[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：146-149.
0 引言
近年來，光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)快速發(fā)展，而并網(wǎng)逆變器是分布式發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵接口，因此，提高并網(wǎng)逆變器輸出的電能質(zhì)量至關(guān)重要[1]。
與傳統(tǒng)的L型濾波器相比，LCL型濾波器具有高頻衰減效果好、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是LCL濾波器參數(shù)較多，參數(shù)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。目前，已有一些LCL參數(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)的文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[2]提出濾波器參數(shù)和控制參數(shù)一體化設(shè)計(jì)的方法，但該方法只適用于逆變側(cè)電流反饋控制且設(shè)計(jì)過程復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]考慮保證高頻衰減效果的條件下最小化LCL濾波器的體積。文獻(xiàn)[4]將電感總儲(chǔ)能最小作為參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]中LCL濾波器電感取值折中考慮紋波電流、系統(tǒng)功耗，電容取值折中考慮無功功率。上述文獻(xiàn)中，電感參數(shù)設(shè)計(jì)均考慮的是總電感對(duì)系統(tǒng)的影響，未考慮逆變側(cè)和電網(wǎng)側(cè)電感比例分配問題，也未考慮系統(tǒng)開關(guān)頻率、帶寬頻率對(duì)LCL濾波器性能影響。
本文把LCL濾波器看作一個(gè)濾波單元，引入k、μ兩個(gè)新參數(shù)。首先推導(dǎo)出k、μ參數(shù)和濾波單元的關(guān)系表達(dá)式，緊接著分析了μ值和無源元件體積、總電感儲(chǔ)能的關(guān)系，其次寫出了開關(guān)頻率、諧振頻率、帶寬頻率間關(guān)系，得到了k參數(shù)的取值范圍，分析了k、μ參數(shù)的關(guān)系及它們對(duì)諧波衰減產(chǎn)生的影響，最終確定了k、μ的取值。仿真驗(yàn)證了并網(wǎng)逆變器的LCL濾波器參數(shù)選取的正確性。
1 LCL型并網(wǎng)逆變器
圖1為LCL型并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。假設(shè)并網(wǎng)逆變器前級(jí)DC/DC電路已實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，Udc為直流側(cè)電壓；vg為電網(wǎng)電壓；vi為逆變器輸出電壓；逆變側(cè)電感Li、濾波電容C、網(wǎng)側(cè)電感Lg構(gòu)成LCL型電路；Rc、Ri和Rg分別為電容C、電感Li和Lg寄生參數(shù)。
忽略Rc、Ri和Rg，LCL濾波器的諧振角頻率為：
1.1 網(wǎng)側(cè)電感與逆變側(cè)電感的比值分析
在保證濾波性能的基礎(chǔ)上，LCL濾波器參數(shù)應(yīng)滿足無源元件尺寸夠小、體積夠小的設(shè)計(jì)要求。
另外，LCL濾波器中的儲(chǔ)能總量也可以被認(rèn)為是無源元件尺寸和成本的衡量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，總電感儲(chǔ)能可近似為：
1.2 開關(guān)頻率與諧振頻率的比值分析
在數(shù)字控制系統(tǒng)中，若采樣方式為單更新模式，則fs=fsw（fs為采樣頻率）；若采樣方式為雙更新模式，則fs=2fsw；不管采用哪種模式，按照奈奎斯特采樣標(biāo)準(zhǔn)，為確保DSP可以清楚地顯示諧振現(xiàn)象，fs至少應(yīng)為諧振頻率fres的兩倍。
同時(shí)，為避免諧振出現(xiàn)在中頻帶，諧振頻率fres應(yīng)大于帶寬頻率fb[7]。即fres應(yīng)滿足不等式(5)：
單更新模式中k的取值范圍為2～19。
1.3 k和μ對(duì)諧波的影響
在中頻和高頻時(shí)，電網(wǎng)電壓相當(dāng)于短路狀態(tài)，可將逆變器看做諧波發(fā)生器，基于圖1得到LCL濾波器的諧波模型如圖3所示。
除了開關(guān)諧波，并網(wǎng)逆變器中還含有大量高次諧波。對(duì)于給定的fsw和LTC值，μ從0.1變化到5時(shí)，LCL濾波器的幅頻特性如圖5所示。低于諧振頻率時(shí)，μ取值對(duì)LCL濾波器的頻率響應(yīng)幾乎無影響，4條曲線重合；高于諧振頻率時(shí)，可以看出相較μ其他取值，μ=1時(shí)幅值衰減效果最佳。
綜合上述分析可知：當(dāng)總電感LT確定后μ=1為最佳取值。另外，k取值越小，元件尺寸越小，儲(chǔ)能也越小；k取值越大，開關(guān)諧波衰減效果越好。故k在平均值kmean附近時(shí)系統(tǒng)性能更好。
1.4 總電感LT和濾波電容C設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)[10]提出了傳統(tǒng)的總電感LT、C的設(shè)計(jì)需要滿足的不等式；總濾波電感LT的初始值范圍為：
其中，Pr為額定功率。
2 仿真驗(yàn)證
為了驗(yàn)證引入μ、k參數(shù)設(shè)計(jì)方案的正確性，用MATLAB/Simulink搭建3 kW單相并網(wǎng)逆變器仿真模型。仿真參數(shù)如下：輸入電壓Udc=400 V；開關(guān)頻率fsw=10 kHz；基波頻率f=50 Hz；電網(wǎng)電壓vg=220 V?？刂品椒ú捎肞I雙環(huán)電流控制（外環(huán)取電感電流；內(nèi)環(huán)取電容電流），其中：外環(huán)ki=1 400、kp1=0.5；內(nèi)環(huán)kp2=2。
2.1 諧波分析仿真
當(dāng)k=5時(shí)，μ取不同值時(shí)，仿真分析其逆變器并網(wǎng)的諧波成分，結(jié)果如圖6所示。
從圖6(a)可以看出，并網(wǎng)逆變器可以得到較高正弦度的并網(wǎng)電流，開關(guān)諧波被濾除。并網(wǎng)電流可以較好地跟蹤電網(wǎng)電壓相位，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓同頻同相。從圖6(b)和圖6(c)可知，當(dāng)μ=1時(shí)逆變器總諧波含量為2.02%，且30次以上的諧波含量均遠(yuǎn)小于0.2%，而μ=0.5時(shí)逆變器總諧波含量為2.47%，同時(shí)35次以上諧波含量才能實(shí)現(xiàn)低于0.2%，且40次諧波約等于0.2%。此外μ=2時(shí)逆變器總諧波含量達(dá)到了3.91%，由圖6(d)可以看出盡管在高次諧波衰減效果很好，但是10次到20次諧波含量較高，其中部分諧波含量達(dá)到1.2%。相比較可知μ=1時(shí)系統(tǒng)更符合并網(wǎng)要求，故μ=1為最佳參數(shù)取值。同時(shí)，并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)達(dá)到了99.82%，滿足并網(wǎng)要求。
2.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)
圖7是系統(tǒng)由半載切換至滿載再到半載時(shí)并網(wǎng)電流波形。在0.1 s時(shí)，負(fù)載突變?yōu)?倍，在0.1 s到0.2 s間，系統(tǒng)運(yùn)行良好，并網(wǎng)電流較好地跟蹤并網(wǎng)電壓。在0.2 s時(shí)，負(fù)載再次突變至原始狀態(tài)。在兩次負(fù)載突變瞬間，并網(wǎng)電流快速響應(yīng)，幾乎無超調(diào)和瞬態(tài)震蕩，系統(tǒng)達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定運(yùn)行。
3 結(jié)論
本文主要分析了單相并網(wǎng)逆變器LCL濾波器最優(yōu)參數(shù)選取方法，得出以下結(jié)論：
(1)相比已有文獻(xiàn)研究，本文所提LCL濾波器設(shè)計(jì)方案不僅可以達(dá)到傳統(tǒng)濾波器高次諧波衰減效果，同時(shí)充分考慮了其他因素影響，引入的k與μ兩個(gè)參數(shù)，簡化了設(shè)計(jì)過程，易于實(shí)現(xiàn)，獲得最佳的k、μ取值，確定電感、電容取值。
(2)與原有的設(shè)計(jì)方法相比，該方法不僅考慮了無源元件尺寸達(dá)到最小值，還考慮了LCL濾波器總儲(chǔ)能也可以達(dá)到最小值，同時(shí)充分考慮LCL濾波器的濾波效果，通過對(duì)比μ取不同值時(shí)結(jié)果表明不僅可以有效縮減元件尺寸、成本，還可以增強(qiáng)開關(guān)諧波衰減效果。
（3）本文單相并網(wǎng)逆變器LCL濾波器最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法對(duì)整流和三相并網(wǎng)逆變器的LCL參數(shù)選取具有一定的指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 許津銘，謝少軍，張斌鋒.分布式發(fā)電系統(tǒng)中LCL濾波并網(wǎng)逆變器電流控制研究綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(16)：4153-4166.
[2] 許津銘，季林，葛小偉,等.計(jì)及逆變器側(cè)電流反饋影響的LCL濾波器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36(17)：4656-4664.
[3] Lin Fei，Zhang Xiaoming，Zhou Yan，et al．Design and research on parameter of LCL filter in three-phase grid-connected inverter[C].Power Electronics and Motion Control Conference.IEEE，2009：2174-2177．
[4] JALILI K，BERNET S．Design of LCL filters of active-front-end two-level voltage-source converters[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics，2009，56(5)：1674-1689．
[5] 趙輝，梁卓，王紅君，等.帶LCL濾波器的單相并網(wǎng)逆變器[J].水電能源科學(xué)，2014(5)：167-171.
[6] JALILI K，BERNET S.Design of LCL filters of active-front-end two level voltage-source converters[J].IEEE Trans.Ind.Electron.，2019，56(5)：1674-1689.
[7] KANTAR E，USLUER S N，HAVA A M.Design and performance analysis of a grid connected PWM-VSI system[C].Proc.8th Int. Conf on Elect.Electron.Eng.，2013：157-161.
[8] BLASKO V，KAURA V.A novel control to actively damp resonance in input LC filter of a three-phase voltage source converter[C].IEEE Trans.Ind. Appl.，1997，33(2)：542-550.
[9] PENA-ALZOLA R，LISERRE M，BLAABJERG F，et al.LCL-filter design for robust active damping in grid-con-nected converters[J].IEEE Trans.Ind. Informat.，2014，10(4)：2192-2203.
[10] 王要強(qiáng)，吳鳳江，孫力，等.阻尼損耗最小化的LCL濾波器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，27(30)：90-95.
作者信息:
賀金玉1，魏金成1，郭筱瑛2，張煜楓1，李亦鳴1，陳歷梅3，曹太強(qiáng)1
（1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039；2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花617000；
3.國網(wǎng)四川明珠集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 遂寧629200）