高手经验谈 关于光伏逆变器的主电路滤波

逆变是一种整流的逆向过程。逆变电源一般在通信、工业以及太阳能风力方面有着明显的优势。本篇文章将针对光伏逆变器的设计进行探讨，知识面设计的比较多，旨在勾起大家思考的兴趣，发散思维。

首先，先从滤波设计讲起。并网逆变器会引入谐波干扰，IEEE Std1547-2003标准对并网发电的电源系统注入电网电流的谐波做出了严格的限制。

并网逆变器滤波的主要作用如下：

有效的抑制了输出电流的过分波动;

滤波作用，将开关动作所产生的高频电流成分滤除;

输出滤波电感相当于连接电网和逆变桥的杠杆，通过它可以控制并网电流的幅值和相位，从而实现控制并网逆变器的功率输出，可以实现功率因数等于1，也可以根据需要向电网输送无功功率，甚至实现网侧纯电感、纯电容运行特性。

使并网逆变器获得一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的设计。

目前常见的逆变器输出滤波器一般有三种形式：L型滤波器、LC型滤波器和LCL型滤波器。根据逆变器运行不同状态，所选取的滤波器形式也不一样。

图1

对于独立运行时，一般采用LC型滤波器，如图1所示，当并网运行时有：L型滤波器、LC型滤波器和LCL型滤波器。

单L型滤波主要应用于小功率场合，具有结构简单，电感主要根据电流的纹波系数和输出电压矢量关系来设计：LC滤波对于并网逆变器来讲实际上和单L滤波区别不大，电容C相当于逆变器的一个负载，对滤波不起作用，而且增加无功损耗。

LCL滤波为三阶系统，具有更好的高频衰减特性，对高频分量呈高阻态，要达到相同的滤波效果，LCL滤波器总电感量比L型小得多，但作为三阶系统，LCL滤波需要确定两个电感量，一个电容量，增加了设计难度，而且LCL滤波还有谐振问题，控制回路设计比较复杂。

由于LCL滤波器的独特优点近年来应用越来越多，图2为它的原理图。

通常，电感等效电阻R1和R2较小，为了分析方便可将其忽略。

图3

当L1=150uH，L2=80uH，C=100uF，Rd=1m欧时其波特图3所示。

matlab

a1=0.001*100*10^-6;

b3=0.15*0.08*100*10^-12;

b2=(0.15+0.08)*0.001*100*10^-9;

b1=(0.15+0.08)*10^-3;

num=[ a1 1];den=[b3 b2 b1 0];

sys=tf(num,den);

bode(sys)

L1=150uH，L2=80uH，C=100uF，Rd=1m;

a1=Rd*C;

b3=L1*L2*C;

b2=Rd*(L1+L2)*C;

b3=L1+L2;

图4

把之前的拓扑简图加上，这样方便大家理解。

图5

图5是L C L单相谐波电路模型

一般情况下，电容的无功功率被限制在系统功率的15%以内，

电容C的计算式为：

f 就是基波市电的频率 50HZ，P为输出功率，U 为峰值电压;当5<(Xl/X2)<1 0且 2< Xc< 5时,可以使纹波和滤波电感的体积达到折中值。

滤波电感 L

首先要考虑基波在电感上的压降，一般为输出额定电压的3%～5%;其次，要使谐波电流的有效值约为逆变器电流容量10%～ 20%. 否则逆变器可能由于谐波电流过大而进入保护状态;最后考虑待滤除的干扰谐波频率的衰减倍数指标 。

Udc为直流侧母线电压; fsw 为开关管频率;△i 为纹波电流(峰峰值);

LC会滤波，但也容易发生谐振，这个是我们关心的问题

由于L和C的存在会使LCL滤波器发生谐振,PWM逆变器可视为谐波发生器。逆变器产生的某次谐波电流可能会对滤波器的谐振产生激励，导致该次谐波幅值突然增大。使逆变器的输出电流发生振荡。为抑制高次谐波,避免输出电流畸变,一般取谐振频率为基波频率的10 ～25倍.

因此，在设计滤波器的参数时，要考虑参数对频带和谐振频率的影响，滤波器的谐振频率为：

C值减小会使谐振频率升高。为了抑制谐振，我们在C支路上串联或并联一电阻元件。就是LCL电容的由来。

图6

这里的C在上面。这种方法虽然抑制谐振很有效。但会带来能量损耗，降低系统效率，因此不适合在大功率系统中应用(大系统指10KW以上，但是现状是国内所有的厂家基本上是这样的结构)，大家都在用，咱们也就用呗。

系统函数(复数，拉普拉斯变换，复频域分析)

从滤波效果来看当(Xl/X2)=1时即L1=L2时滤波效果最好，我们将电容的无功功率限制在额定功率的5%左右。至于总的电感量，和L1与L2电感量的设计正在整理，等整理好后在发上来和大家讨论。谐振频率主要考虑基波频率和开关频率共同的影响，一般取10倍基波和0.5倍开关频率之间。

图7 基波应用的逆变输出电压

在基波应用中，对于基波电流，LCL滤波器的滤波电容相当于开路，电路可以简化为图7所示的等效电路，图中的L代表L1和L2的总滤波电感。从稳态条件下并网逆变器输出有功(无功)功率的能力考虑，并网逆变器LCL的总电感量(L1+L2)应予限制。

本篇文章总结了论坛达人，对光伏并网逆变器主电路滤波的经验谈。设计的知识面比较广，适合作为一篇提高性的发散思维文章，希望在阅读过本篇文章之后，大家能对逆变器的主电路滤波有进一步的认识。