一種單相并網(wǎng)lcl型逆變器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及并網(wǎng)逆變控制領(lǐng)域，具體涉及一種單相并網(wǎng)LCL型逆變器系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于在不升高直流母線電壓的前提下，在逆變器結(jié)構(gòu)及調(diào)制方式確定的基礎(chǔ)上，僅利用直流母線電壓和并網(wǎng)電流即可以得到全部的LCL濾波器設(shè)計參數(shù)，即逆變器輸出側(cè)電感Li、電網(wǎng)側(cè)電感Lg和濾波電容Cf，及諧振頻率fres，完成LCL濾波器參數(shù)的設(shè)計。該系統(tǒng)不僅能有效抑制開關(guān)頻率處以及高次諧波，滿足濾波性能的要求，而且能夠降低并網(wǎng)逆變器直流母線電壓的限制，實(shí)現(xiàn)較低直流母線電壓下的逆變器并網(wǎng)運(yùn)行；同時設(shè)計方法直觀實(shí)效，計算簡便，省去了反復(fù)試湊、迭代的步驟，簡單快捷。
【專利說明】
一種單相并網(wǎng)LCL型逆變器系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及并網(wǎng)逆變控制領(lǐng)域，具體涉及一種單相并網(wǎng)LCL型逆變器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著環(huán)境污染和化石能源危機(jī)的不斷加劇，清潔的可再生能源得到了快速的發(fā) 展，其中太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電的并網(wǎng)控制研究更是備受國內(nèi)外關(guān)注。并網(wǎng)逆變器作為 新能源發(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵裝置，由于其一般采用高頻的SPWM調(diào)制，將導(dǎo)致大量的高頻諧波電 流流入電網(wǎng)，對電網(wǎng)中的EMI敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾，因此并網(wǎng)逆變器必須配備輸出濾波器裝 置。相較于傳統(tǒng)的L型濾波器，人們通常選擇高頻諧波抑制能力更強(qiáng)的LCL濾波器作為并網(wǎng) 逆變器的濾波裝置。
[0003] 對于不同的LCL濾波器設(shè)計方法，目前已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。申請公布 號為CN104242617A的中國專利，名稱為《一種并網(wǎng)逆變器的LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計方法》，該 方法基于橋臂輸出電壓抑制比，在逆變器結(jié)構(gòu)及調(diào)制方式確定的基礎(chǔ)上，通過選取諧振頻 率和逆變器開關(guān)頻率處的諧波衰減比例系數(shù)，完成對LCL保證對濾波性能的要求，同時通過 優(yōu)化設(shè)計使得濾波電感和濾波電容取值最小。
[0004] 申請公布號為CN102263417A的中國專利，名稱為《光伏并網(wǎng)用逆變器中LCL濾波器 混合阻尼參數(shù)設(shè)計方法》，該方法采用了主動阻尼和被動阻尼協(xié)同工作的方法對LCL濾波器 的諧振進(jìn)行抑制。主動阻尼部分采用濾波器電容電流反饋的控制方法，被動阻尼部分采用 濾波電容串聯(lián)阻尼電阻的方法。對于一個LCL濾波器，在保證足夠的阻尼系數(shù)的情況下，計 算被動阻尼所需的阻尼電阻大小，以及主動阻尼的反饋系數(shù)，并對設(shè)計的協(xié)同控制阻尼方 案進(jìn)行校驗(yàn)，并使阻尼電阻的損耗盡可能小。
[0005] 授權(quán)公告號為CN103078321A的中國專利，名稱為《一種光伏并網(wǎng)與有源濾波統(tǒng)一 控制的LCL濾波器的設(shè)計方法》，該方法首先確定LCL濾波器的總電感值L T、濾波電容值Cf以 及諧振頻率fres，然后根據(jù)它們?nèi)叩募s束條件確定總電感值L T以及濾波電容Cf的上限值， 最后推算得到Li、Ls、Cf。
[0006] 授權(quán)公告號為CN203859519U的中國專利，名稱為《LCL濾波器以及風(fēng)電并網(wǎng)無源濾 波系統(tǒng)》，其技術(shù)特征為"一種LCL濾波器，包括逆變器側(cè)電感、第一電解電容、第二電解電容 以及網(wǎng)側(cè)電感;所述第一電解電容的正極與第二電解電容的正極相接;所述第一電解電容 的負(fù)極通過所述逆變器側(cè)電感電學(xué)連接至所述LCL濾波器的輸入端，所述第一電解電容的 負(fù)極同時通過所述網(wǎng)側(cè)電感電學(xué)連接至所述LCL濾波器的輸出端;所述第一電解電容與第 二電解電容輪流工作，實(shí)現(xiàn)對輸入端接收到的輸入電壓的濾波。"
[0007] 授權(quán)公告號為CN20 3 84019 2U的中國專利，名稱為《一種并網(wǎng)逆變器輸出濾波器》， 其技術(shù)特征為"一種并網(wǎng)逆變器輸出濾波器，其包括:無源濾波器，所述無源濾波器包括N個 相互并聯(lián)的濾波電容支路；串聯(lián)在Μ個所述相互并聯(lián)的濾波電容支路中的每一個濾波電容 上的阻尼電阻，其中Ν和Μ均為正整數(shù)且1SMSN-1;以及并聯(lián)在每一個所述阻尼電阻上的旁 路電感。"
[0008] 以上這些系統(tǒng)和方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，濾波效果差，功耗大，而且需要反復(fù)迭代試湊才能 達(dá)到設(shè)計要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 鑒于上述提出的技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種單相并網(wǎng)LCL型逆變 器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在不升高直流母線電壓的前提下，僅利用直流母線電壓和并網(wǎng)電流即可以 得到全部的LCL濾波器設(shè)計參數(shù)，即逆變器輸出側(cè)電感1^、電網(wǎng)側(cè)電感L g和濾波電容Cf，及諧 振頻率fras，從而實(shí)現(xiàn)逆變器的成功并網(wǎng)。
[0010] 為了解決以上提出的問題，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案：
[0011] -種單相并網(wǎng)LCL型逆變器系統(tǒng)，包括直流側(cè)輸入濾波電容Cd。，逆變器和濾波器， 其中所述逆變器由四個相互電學(xué)連接在一起的單相全橋逆變器的開關(guān)管S1~S4組成，用于 將輸入的直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷?所述濾波器為LCL濾波器，包括逆變器輸出側(cè)電感 U、電網(wǎng)側(cè)電感Lg和濾波電容Cf，所述逆變器輸出側(cè)電感1^電學(xué)連接至所述LCL濾波器的輸 入端，所述電網(wǎng)側(cè)電感1^電學(xué)連接至所述LCL濾波器的輸出端;所述LCL濾波器的輸入端耦 接至所述逆變器，所述LCL濾波器的輸出端耦接至電網(wǎng)；所述LCL濾波器對所述逆變器傳輸 的交流電壓進(jìn)行濾波后，傳輸至電網(wǎng)。
[0012] 在所述LCL濾波器電容支路串聯(lián)一個阻尼電阻，阻尼電阻一般取值為所述濾波電 容Cf容抗的1/3。
[0013] 所述LCL濾波器各參數(shù)的限制條件為：
[0019] 式中:P為逆變器并網(wǎng)功率，Limax為最大的逆變器側(cè)濾波電感值，Iimin為逆變器輸出 電流最小值，ω為電網(wǎng)基波角頻率，U g為電網(wǎng)電壓基波有效值，Ig為并網(wǎng)電流的基波有效值， fg為電網(wǎng)頻率，fres為LCL濾波器的諧振頻率，f s為LCL濾波器的開關(guān)頻率。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于：
[0021] 本實(shí)用新型提供了一種單相并網(wǎng)逆變器LCL型系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于在不升高直流 母線電壓的前提下，在逆變器結(jié)構(gòu)及調(diào)制方式確定的基礎(chǔ)上，僅利用直流母線電壓和并網(wǎng) 電流即可以得到全部的LCL濾波器設(shè)計參數(shù)，完成LCL濾波器參數(shù)設(shè)計。經(jīng)驗(yàn)證后表明該LCL 濾波器能有效抑制開關(guān)頻率處以及高次諧波，滿足濾波性能的要求;設(shè)計方法直觀實(shí)效，計 算簡便，省去了反復(fù)試湊、迭代的步驟，簡單快捷。
【附圖說明】
[0022] 為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需 要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí) 施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖 獲得其它的附圖，其中：
[0023] 圖1為單相并網(wǎng)LCL型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖2為單相LCL濾波器的諧波等效模型圖；
[0025] 圖3為LCL濾波器傳遞函數(shù)Bode圖；
[0026] 圖4(a)為電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形圖；
[0027] 圖4(b)為電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流放大圖（0.15s~0.2s);
[0028] 圖5為并網(wǎng)電流的頻譜分析圖；
[0029]圖6為仿真和實(shí)驗(yàn)中LCL濾波器傳遞函數(shù)Bode圖；
[0030]圖7為電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的實(shí)驗(yàn)波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]逆變器系統(tǒng)的設(shè)計主要包括逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計和LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計，而 LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計涉及到逆變器輸出側(cè)電感U、電網(wǎng)側(cè)電感Lg和濾波電容Cf，及諧振頻 率f res等參數(shù)的選擇，這四個參數(shù)相互耦合、相互影響，且其選擇直接影響濾波效果。下面將 結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。 顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；趯?shí)用新 型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0032]圖1為單相并網(wǎng)LCL型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖中udc為直流母線電壓，id。為逆變器輸 入側(cè)直流電流，Cdc為直流側(cè)輸入濾波電容，S1~S4為單相全橋逆變器的四個開關(guān)管，逆變器 輸出通過LCL濾波器并入電網(wǎng)，UUPCf分別為LCL濾波器的逆變器輸出側(cè)電感、電網(wǎng)側(cè)電 感以及濾波電容，其中忽略各濾波元件UUP&的內(nèi)阻影響，m、i^別為逆變器輸出電壓 和電流，u g、ig分別為電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流。
[0033] 由圖1所示單相LCL濾波器拓?fù)?，不難導(dǎo)出逆變器輸出電壓m、逆變器輸出電流^與 電網(wǎng)電壓ug、并網(wǎng)電流i g的關(guān)系如下：
[0034] Ui(s) = (l+s2LiCf )ug(s) + [s3LiLgCf+s(Li+Lg) ] ig(s) (1)
[0035] ii(s) = sCfUg(s) + ( l+s2LgCf) ig(s) (2)
[0036] 對于正弦穩(wěn)態(tài)基波分量，取s = jco，則式（1)、（2)可化為：
[0037]
[0038]
[0039] 其中，ω為電網(wǎng)基波角頻率，Γ,、/,分別為逆變器輸出電壓和電流的基波有效值向 量，^ 分別為電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的基波有效值向量。
[0040] 為了充分利用前級新能源發(fā)出的電能，通常控制逆變器的并網(wǎng)功率因數(shù)為1，即此 時電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流被控制為同頻同相，因此有
[0041]
(5)
[0042] 式中，a為一常數(shù)，P為逆變器并網(wǎng)有功功率。
[0043] 將式(5)代入式(3)，得逆變器輸出電壓基波有效值Ui為
[0044]
[0045] 傳統(tǒng)LCL濾波器的設(shè)計是在滿足開關(guān)頻率處紋波抑制要求的前提下，盡量節(jié)約總 的電感磁心材料，以設(shè)計出最優(yōu)的LCL濾波器參數(shù)值，此時co 2UCf的數(shù)值通常在10-2數(shù)量級， 工程上可忽略不計，則式(6)可簡化為：
[0046]
饑
[0047] 式(7)為單位功率因數(shù)并網(wǎng)條件下的逆變器輸出電壓要求值。
[0048]對于正弦波調(diào)制的單相全橋逆變電路，其直流母線電壓利用率為1，即當(dāng)調(diào)制比m =1時，逆變器輸出交流基波電壓幅值mmax=udc。因此，當(dāng)并網(wǎng)逆變器不發(fā)生過調(diào)制時，有下 式成立， _] __ (8)
[0050] 將式(7)和(8)合并，得
[0051]
(9)
[0052] 由式(9)可以看出，在傳統(tǒng)的LCL并網(wǎng)逆變器中，由于電網(wǎng)電壓為一固定值，逆變器 直流母線電壓將受到限制，逆變電路要想成功實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，就必須設(shè)定其直流 母線電壓高于最低限值，這無疑是限制了并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用。特別地，對于光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)而言，光伏陣列輸出的最大功率點(diǎn)電壓有時并不能滿足式(9)的并網(wǎng)要求，通常我們采用 Boost升壓電路，將光伏輸出電壓提高到滿足并網(wǎng)要求的電壓等級，但這不僅增加了光伏發(fā) 電系統(tǒng)的成本，而且降低了系統(tǒng)發(fā)電效率。因此，我們希望能夠找到一種方法，在不升高直 流母線電壓的前提下，實(shí)現(xiàn)逆變器的成功并網(wǎng)。
[0053] 由前述可知，傳統(tǒng)LCL型并網(wǎng)逆變器直流母線電壓受到限制的本質(zhì)原因是在單位 功率因數(shù)并網(wǎng)條件下，逆變器輸出電壓基波有效值 Ul和電網(wǎng)電壓基波有效值％存在式(7)的 等式約束關(guān)系，而式(7)中電網(wǎng)電壓比例系數(shù)的底數(shù)中又含有常數(shù)1。因此，為了降低逆變器 直流母線電壓的最低限值，就需要改變式(7)的等式約束關(guān)系，去除上述常數(shù)1。
[0054] 令l-co2LiCf = 0,則式(3)、（4)可化為如下矩陣等式：
[0055] (!〇)
[0056] 即有
[0057] Ui= ω Lilg (11)
[0058] 這樣式(7)的等式約束關(guān)系就變?yōu)榱松鲜鍪?11)的等式約束關(guān)系。
[0059] 同樣地，在并網(wǎng)逆變器不發(fā)生過調(diào)制時，將式(8)代入式(11)，得
[0060] (丨2)
[0061]
[0062] (13)
[0063]由上式可以看出，對于任一已知的直流母線電壓Udc和逆變器并網(wǎng)功率P，均可通過 式（13)得出最大的逆變器側(cè)濾波電感值Limax。因此，在設(shè)計單相LCL型并網(wǎng)逆變器時，只要 選取逆變器側(cè)濾波電感值小于上述最大限值L imax，就可以滿足逆變器的并網(wǎng)要求，直流母 線電壓Ud。的值在理論上也就沒有了限制。
[0064] 由公式（13)可以看出，只要逆變器側(cè)濾波電感取值足夠小，直流母線電壓UdcJ尤可 以任意取值，但在實(shí)際中，直流母線電壓取值不能無限小，其取值要考慮濾波電容&大小以 及逆變器側(cè)輸出電流的限制。
[0065] 由于逆變器側(cè)濾波電感Li和濾波電容Cf滿足ω 2LiCf= 1，因此，當(dāng)逆變器側(cè)電感Li 取值過小時，濾波電容Cf的取值將會很大，而在實(shí)際中卻不易得到電容值很大的交流濾波 電容。
[0066] 由式（10)可得
[0067]
V' 、丄· J (i4)[0068] 將條件卜c〇2LiCf = 0帶入上式（14)，可以得到
[0069] (㈧
[0070]將式（13)代入式（15)，得
[0071] (16)
[0072] 由上式不難看出，隨著直流母線電壓的降低，逆變器輸出最小電流將會增大，因此 在實(shí)際中，直流母線電壓取值不能任意小。從定性的角度分析，上述結(jié)論不難理解:單相全 橋逆變電路直流母線電壓利用率為1，當(dāng)直流母線電壓Ud。降低時，逆變器輸出電壓的基波最 大值u imax也會減小，由于逆變器并網(wǎng)功率P為一固定值，因此逆變器輸出電流最小值將會增 大。
[0073] 逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時，濾波環(huán)節(jié)是至關(guān)重要且不可或缺的，濾波器設(shè)計的好壞更是 直接影響到逆變器的并網(wǎng)性能。為了使逆變器獲得更好的并網(wǎng)性能，在進(jìn)行LCL濾波器設(shè)計 時，通常有以下的設(shè)計規(guī)則：
[0074] (l)LCL濾波器總電感產(chǎn)生的阻抗壓降小于額定工作條件下電網(wǎng)電壓的10%;
[0075] (2)為了避免LCL濾波器的諧振頻率位于低頻或高頻段，影響電流控制器的設(shè)計， LCL濾波器的諧振頻率應(yīng)該大于10倍的電網(wǎng)頻率fg，且小于開關(guān)頻率fs的一半，即10f g〈fres〈 fs/2；
[0076] (3)為了得到高質(zhì)量的并網(wǎng)電流，LCL濾波器在開關(guān)頻率處要具有較高的紋波電流 衰減倍數(shù)，這里的紋波電流衰減倍數(shù)指的是逆變器輸出電流諧波與并網(wǎng)電流諧波的比值；
[0077] (4)濾波電容Cf的取值會影響逆變器的并網(wǎng)功率因數(shù)，一般濾波電容Cf的取值要保 證額定工作條件下逆變器并網(wǎng)功率因數(shù)不低于0.95。當(dāng)然，逆變器的并網(wǎng)功率因數(shù)也與交 流側(cè)電壓和電流傳感器的位置有關(guān)。
[0078] 對于規(guī)則（1)，傳統(tǒng)LCL濾波器設(shè)計過程中，通常要求總的電感值不能過大，以限制 電感上產(chǎn)生的電壓跌落，否則逆變器就需要更高的直流母線電壓來保證逆變實(shí)現(xiàn)，這也將 產(chǎn)生更大的開關(guān)損耗。而對于本實(shí)用新型前述的LCL濾波器設(shè)計方案，在求解逆變器側(cè)電感 U的過程中，已經(jīng)考慮了逆變器的直流母線電壓利用率和LCL濾波器自身的電壓變換功能， 因此對于確定的直流母線電壓ud。和并網(wǎng)功率P，只要逆變器側(cè)濾波電感1^的取值滿足公式 (13)要求，逆變器就可以成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，即上述規(guī)則（1)已然得到滿足。
[0079] 對于規(guī)則(2)，LCL濾波器的諧振頻率如下式(17)所示，
[0080] (17)
[0081] 將卜co2LiCf = 0代入上式(17)，可得
[0082] (18)
[0083] 不失一般性地，假設(shè)開關(guān)頻率fs = 10kHz，由fres〈fs/2，可得到U〈9999Lg;而令10f g〈 fres，可得到U>99Lg，因此電網(wǎng)側(cè)濾波電感Lg需滿足條件：
[_]
_
[0085]從公式（19)可以看出，在新的LCL濾波器設(shè)計方案中有LgSU，而這正是我們想要 看到的，因?yàn)槲覀兛偸窍Ｍ鸏CL濾波器的電感值越小越好，這樣可以節(jié)約更多的成本。
[0086] 對于規(guī)則(3)，如圖2所示為單相LCL濾波器的諧波等效模型，其中uKhhidh)分別 為逆變器輸出的第h次諧波電壓和諧波電流，i g(h)為流入電網(wǎng)的第h次諧波電流。
[0087] 并網(wǎng)逆變器是一個諧波發(fā)生源，其輸出電流中含有開關(guān)頻率及其倍頻處附近的高 次諧波，為了降低并網(wǎng)電流中的高次諧波，LCL濾波器需在開關(guān)頻率處具有足夠的紋波電流 衰減倍數(shù)。對于第h次諧波而言，紋波電流衰減倍數(shù)為：
[0088] (20)
[0089] 同樣地，當(dāng)開關(guān)頻率fs=10kHz時，hsw = 200,由公式（19)不妨設(shè)Li = 1000Lg，則LCL 濾波器在開關(guān)頻率處的紋波電流衰減倍數(shù)為
[0090] (21)
[0091] 由上式(21)可以看出，對于本實(shí)用新型提出的LCL濾波器設(shè)計方案，濾波器在開關(guān) 頻率處具有很高的紋波電流衰減倍數(shù)，能夠有效地抑制開關(guān)頻率處的諧波分量，得到較好 的并網(wǎng)電流波形。
[0092] 對于規(guī)則(4)，濾波電容Cf的取值與交流側(cè)電壓和電流傳感器的位置有關(guān)。在逆變 器運(yùn)行過程中，LCL濾波器中的無源元件會產(chǎn)生和消耗一定的無功功率，這些無功功率可能 會降低逆變器的并網(wǎng)功率因數(shù)。特別地，當(dāng)交流電壓和電流傳感器分別位于電網(wǎng)和逆變器 側(cè)時，電網(wǎng)電壓和逆變器側(cè)輸出電流被控制為同頻同相，濾波電容C f取值過大將會導(dǎo)致更 多的無功電流流過濾波電容，使得逆變器的并網(wǎng)功率因數(shù)降低，這就是傳統(tǒng)的LCL濾波器設(shè) 計過程中，通常要求的濾波電容&吸收的基波無功功率不能大于系統(tǒng)額定有功功率的5%。
[0093] 針對本實(shí)用新型提出的LCL濾波器設(shè)計方案，控制目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電 流的同頻同相，即要求逆變器并網(wǎng)功率因數(shù)為1，此時交流電壓和電流傳感器均應(yīng)位于電網(wǎng) 偵L而LCL濾波器的無源元件產(chǎn)生或消耗的總無功功率的大小受限于逆變器的額定容量及 逆變器輸出功率因數(shù)(逆變器輸出功率因數(shù)為逆變器輸出有功功率占視在功率的比值）。 [0094] LCL濾波器濾波電感消耗的總無功功率為：
[0095]
(22)[0096]將公式（14)代入上式(22)，可得
[0097] P3)
[0098]同理，濾波電容Cf產(chǎn)生的無功功率為：
[0099]
(24)
[0100] 由于逆變器為單位功率因數(shù)并網(wǎng)，則有
[0101]
(25)
[0102] 將公式（24)和合并，可得
[0103]
巧 (26)
[0104] 因此，LCL濾波器消耗的總無功功率為：
[0105]
^27)
[0106] 由公式：(? 9)不難羞屮.
(28)
[0108] 由上述結(jié)果可以看出，對于本實(shí)用新型提出的LCL濾波器設(shè)計方案，當(dāng)逆變器并網(wǎng) 電流為一確定值時，LCL濾波器消耗的總無功功率唯一地決定于濾波電感U的大小。因此， 為了不使逆變器過容量運(yùn)行，且保證一定的逆變器輸出功率因數(shù)，在設(shè)計濾波電感U時，需 要附加額外的限制條件。
[0109] 同時，由于上述無功功率計算公式較為簡單，且逆變器采用單位功率因數(shù)并網(wǎng)，因 此可以很方便地知道逆變器輸出的有功和無功功率，以及逆變器輸出功率因數(shù)，進(jìn)而可以 考慮在濾波電感U的容許值范圍內(nèi)，通過改變?yōu)V波電感U的值來調(diào)節(jié)逆變器輸出功率因數(shù)。
[0111]
[0110] 逆變器輸出功率因數(shù)為：
(29)
[0112] 其中，Θ為逆變器輸出功率因數(shù)角。
[0113] 針對本實(shí)用新型提出的LCL濾波器設(shè)計新方案，本實(shí)施例以一個并網(wǎng)逆變器系統(tǒng) 為例，闡明一種并網(wǎng)逆變器LCL型濾波器的參數(shù)設(shè)計方法，其中逆變器直流母線電壓u dc = 50V，給定并網(wǎng)電流幅值Igm=2A，并網(wǎng)逆變器開關(guān)頻率fs = 10kHz，電網(wǎng)基波角頻率ω=1〇〇π (rad/s)。則由式（13)可得
[0114]
[0115] 為保證一定控制裕量，這里取Li = 50mH，則可得Cf=l/co2Li ? 200yF。由公式（19) 知，可以選取Lg = Li/500 = 0.1mH，則LCL濾波器在開關(guān)頻率處的紋波電流衰減倍數(shù)為79,根 據(jù)公式(29)可得此時逆變器輸出功率因數(shù)為0.91。
[0116] LCL濾波器在高頻段存在一個諧振尖峰，為了有效地發(fā)揮LCL濾波器的高頻濾波功 能，本實(shí)用新型選擇在電容支路串聯(lián)電阻的方式對LCL濾波器進(jìn)行阻尼控制。在LCL濾波器 的參數(shù)設(shè)計中，阻尼電阻一般取值為諧振角頻率《 re3S處濾波電容Cf容抗的1/3,即有，
[0117]
[0118] 至此，LCL濾波器的參數(shù)已全部確定，如圖3所示為LCL濾波器傳遞函數(shù)的Bode圖。
[0119] 由上述設(shè)計實(shí)例不難發(fā)現(xiàn)，對于本實(shí)用新型提出的LCL濾波器設(shè)計新方案，僅利用 直流母線電壓和并網(wǎng)電流即可以得到全部的LCL濾波器參數(shù)，這無疑是簡化了 LCL濾波器的 設(shè)計，對比傳統(tǒng)的LCL濾波器設(shè)計方案，本實(shí)用新型提出的LCL濾波器設(shè)計具有明顯的計算 優(yōu)勢。
[0120] 本實(shí)用新型基于單相并網(wǎng)逆變器對提出的LCL濾波器設(shè)計方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證， 利用MATLAB/Simulink作為仿真工具，將上文中設(shè)計實(shí)例中的參數(shù)作為仿真參數(shù)。另外，單 相全橋逆變器采用雙極性調(diào)制，電流控制器采用準(zhǔn)PR控制器，準(zhǔn)PR控制器傳遞函數(shù)為
[0121] 00)
[0122] 其中，參數(shù)kp=l .5，kr = 20, t〇c = ji。
[0123] 如圖4(a)所示為仿真得到的電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形，其中圖4(b)為波形在 0.15s~0.2s之間的放大圖。由圖示可以看出，電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流實(shí)現(xiàn)了同頻同相。
[0124] 圖5所示為并網(wǎng)電流的頻譜分析圖，圖中并網(wǎng)電流的總諧波含量THD = 0.68%，滿 足并網(wǎng)要求，因此逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。
[0125] 本實(shí)用新型基于單相并網(wǎng)逆變器對提出的LCL濾波器設(shè)計進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn) 中將電容支路串聯(lián)的阻尼電阻改為阻值為1歐姆的功率電阻，其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)均和上述仿真 參數(shù)保持一致。圖6為仿真和實(shí)驗(yàn)中LCL濾波器傳遞函數(shù)Bode圖，由圖示可以看出，當(dāng)電容支 路串聯(lián)的阻尼電阻增大時，LCL濾波器諧振峰得到了更好地抑制，但相應(yīng)的其高頻諧波抑制 能力受到了一定地削弱。
[0126] 如圖7所示為電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的實(shí)驗(yàn)波形，圖示中電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流實(shí)現(xiàn) 了同頻同相并網(wǎng)，且并網(wǎng)電流的正弦度較好，因此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本實(shí)用新型提出的LCL濾波器 設(shè)計方案的有效性:能夠降低并網(wǎng)逆變器直流母線電壓的限制，實(shí)現(xiàn)較低直流母線電壓下 的逆變器并網(wǎng)運(yùn)行。
[0127] 本實(shí)用新型是通過具體實(shí)施過程進(jìn)行說明的，在不脫離本實(shí)用新型范圍的情況 下，還可以對本實(shí)用新型專利進(jìn)行各種變換及同等代替，因此，本實(shí)用新型專利不局限于所 公開的具體實(shí)施過程，而應(yīng)該包括落入本實(shí)用新型專利權(quán)利要求范圍內(nèi)的全部實(shí)施方案。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種單相并網(wǎng)LCL型逆變器系統(tǒng)，其特征在于:包括直流側(cè)輸入濾波電容Cdc，逆變器 和濾波器，其中所述逆變器由四個相互電學(xué)連接在一起的單相全橋逆變器的開關(guān)管Sl~S4 組成，用于將輸入的直流電壓U dc逆變?yōu)榻涣麟妷?所述濾波器為LCL濾波器，包括逆變器輸 出側(cè)電感Li、電網(wǎng)側(cè)電感Lg和濾波電容C f，所述逆變器輸出側(cè)電感Li電學(xué)連接至所述LCL濾 波器的輸入端，所述電網(wǎng)側(cè)電感1^電學(xué)連接至所述LCL濾波器的輸出端;所述LCL濾波器的 輸入端耦接至所述逆變器，所述LCL濾波器的輸出端耦接至電網(wǎng)；所述LCL濾波器對所述逆 變器傳輸?shù)慕涣麟妷哼M(jìn)行濾波后，傳輸至電網(wǎng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相并網(wǎng)LCL型逆變器系統(tǒng)，其特征在于:在所述LCL濾波 器電容支路串聯(lián)一個阻尼電阻。
【文檔編號】H02M1/12GK205566089SQ201620237378
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】肖園園, 肖靜, 張閣, 楊藝云, 周楊珺, 金慶忍, 郭敏
【申請人】廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院