一种单相并网逆变器lcl滤波器设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及并网逆变控制领域，具体涉及一种单相并网逆变器LCL滤波器设计方 法。
【背景技术】
[0002] 随着环境污染和化石能源危机的不断加剧，清洁的可再生能源得到了快速的发 展，其中太阳能、风能等新能源发电的并网控制研究更是备受国内外关注。并网逆变器作为 新能源发电并网的关键装置，由于其一般采用高频的SPWM调制，将导致大量的高频谐波电 流流入电网，对电网中的EMI敏感设备产生干扰，因此并网逆变器必须配备输出滤波器装 置。相较于传统的L型滤波器，人们通常选择高频谐波抑制能力更强的LCL滤波器作为并网 逆变器的滤波装置。
[0003] 对于不同的LCL滤波器设计方法，目前已有很多文献进行了详细地介绍。申请公布 号为CN104242617A的中国专利，名称为《一种并网逆变器的LCL滤波器的参数设计方法》，该 方法基于桥臂输出电压抑制比，在逆变器结构及调制方式确定的基础上，通过选取谐振频 率和逆变器开关频率处的谐波衰减比例系数，完成对LCL保证对滤波性能的要求，同时通过 优化设计使得滤波电感和滤波电容取值最小。
[0004] 申请公布号为CN102263417A的中国专利，名称为《光伏并网用逆变器中LCL滤波器 混合阻尼参数设计方法》，该方法采用了主动阻尼和被动阻尼协同工作的方法对LCL滤波器 的谐振进行抑制。主动阻尼部分采用滤波器电容电流反馈的控制方法，被动阻尼部分采用 滤波电容串联阻尼电阻的方法。对于一个LCL滤波器，在保证足够的阻尼系数的情况下，计 算被动阻尼所需的阻尼电阻大小，以及主动阻尼的反馈系数，并对设计的协同控制阻尼方 案进行校验，并使阻尼电阻的损耗尽可能小。
[0005] 授权公告号为CN103078321A的中国专利，名称为《一种光伏并网与有源滤波统一 控制的LCL滤波器的设计方法》，该方法首先确定LCL滤波器的总电感值L T、滤波电容值Cf以 及谐振频率fres，然后根据它们三者的约束条件确定总电感值L T以及滤波电容Cf的上限值， 最后推算得到Li、Ls、Cf。
[0006] 授权公告号为CN203859519U的中国专利，名称为《LCL滤波器以及风电并网无源滤 波系统》，其技术特征为"一种LCL滤波器，包括逆变器侧电感、第一电解电容、第二电解电容 以及网侧电感;所述第一电解电容的正极与第二电解电容的正极相接;所述第一电解电容 的负极通过所述逆变器侧电感电学连接至所述LCL滤波器的输入端，所述第一电解电容的 负极同时通过所述网侧电感电学连接至所述LCL滤波器的输出端;所述第一电解电容与第 二电解电容轮流工作，实现对输入端接收到的输入电压的滤波。"
[0007] 授权公告号为CN20 3 84019 2U的中国专利，名称为《一种并网逆变器输出滤波器》， 其技术特征为"一种并网逆变器输出滤波器，其包括:无源滤波器，所述无源滤波器包括N个 相互并联的滤波电容支路；串联在M个所述相互并联的滤波电容支路中的每一个滤波电容 上的阻尼电阻，其中N和M均为正整数且1SMSN-1;以及并联在每一个所述阻尼电阻上的旁 路电感。"
[0008] 以上这些系统和方法结构复杂，功耗大，而且需要反复迭代试凑才能达到设计要 求。
【发明内容】
[0009] 鉴于上述提出的技术问题，本发明的目的在于提供一种单相并网逆变器LCL滤波 器设计方法，该方法在不升高直流母线电压的前提下，仅利用直流母线电压和并网电流即 可以得到全部的LCL滤波器设计参数，从而实现逆变器的成功并网。
[0010] 为了解决以上提出的问题，本发明采用如下的技术方案：
[0011] -种单相并网逆变器LCL滤波器设计方法，包括以下步骤：
[0012] ⑴设计单相并网LCL型逆变器拓扑结构；
[0013] -种单相并网逆变器LCL滤波器，包括直流侧输入滤波电容Cd。，逆变器和滤波器， 其中所述逆变器由四个单相全桥逆变器开关管S1~S4组成，相互电学连接在一起，用于将 输入的直流电压ud。逆变为交流电压;所述滤波器为LCL滤波器，包括逆变器输出侧电感U、 电网侧电感L g和滤波电容Cf，所述逆变器输出侧电感1^电学连接至所述LCL滤波器的输入 端，所述电网侧电感1^电学连接至所述LCL滤波器的输出端;所述LCL滤波器的输入端耦接 至所述逆变器，所述LCL滤波器的输出端耦接至电网；所述LCL滤波器对所述逆变器传输的 交流电压进行滤波后，传输至电网。
[0014] (2)根据给定的直流母线电压ud。，并网电流的基波有效值Ig，并网电压的基波有效 值4，电网基波角频率co，逆变器并网功率P计算出所述LCL滤波器的最大的逆变器侧滤波 电感值Limax ；
[0016] (3)确定所述LCL滤波器的逆变器输出侧电感Li:
[0017] Li < Limax
[0018] 同时满足
[0020] (4)计算出所述LCL滤波器的滤波电容Cf:
[0021] Cf=l/?2Li
[0022] (5)确定所述LCL滤波器的谐振频率fres:
[0023]为了避免LCL滤波器的谐振频率位于低频或高频段，影响电流控制器的设计，LCL 滤波器的谐振频率应该大于10倍的电网频率fg，且小于开关频率fs的一半，即l〇fg〈f res〈fs/ 2；
[0024] (6)确定所述LCL滤波器的电网侧滤波电感Lg:
[0026] 在步骤1中在所述LCL滤波器电容支路串联一个阻尼电阻，阻尼电阻一般取值为所 述滤波电容Cf容抗的1/3。
[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0028] 本发明提供了一种单相并网逆变器LCL滤波器设计方法，该方法是基于在不升高 直流母线电压的前提下，在逆变器结构及调制方式确定的基础上，仅利用直流母线电压和 并网电流即可以得到全部的LCL滤波器设计参数，完成LCL滤波器参数设计。经验证后表明 该LCL滤波器能有效抑制开关频率处以及高次谐波，满足滤波性能的要求;设计方法直观实 效，计算简便，省去了反复试凑、迭代的步骤，简单快捷。
【附图说明】
[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它 的附图，其中：
[0030] 图1为单相并网LCL型逆变器拓扑结构图；
[0031 ]图2为单相LCL滤波器的谐波等效模型图；
[0032]图3为LCL滤波器传递函数Bode图；
[0033]图4(a)为电网电压和并网电流波形图；
[0034] 图4(b)为电网电压和并网电流放大图（0.15s~0.2s);
[0035]图5为并网电流的频谱分析图；
[0036]图6为仿真和实验中LCL滤波器传递函数Bode图；
[0037] 图7为电网电压和并网电流的实验波形图。
【具体实施方式】
[0038] 逆变器LCL滤波器的设计主要包括逆变器拓扑结构的设计和LCL滤波器的参数设 计，而LCL滤波器的参数设计涉及到逆变器输出侧电感1^、电网侧电感L g和滤波电容Cf及谐 振频率fres等参数的选择，这四个参数相互耦合、相互影响，且其选择直接影响滤波效果。下 面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显 然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施 例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于 本发明保护的范围。
[0039]图1为单相并网LCL型逆变器拓扑结构图。图中udc为直流母线电压，id。为逆变器输 入侧直流电流，Cdc为直流侧输入滤波电容，S1~S4为单相全桥逆变器的四个开关管，逆变器 输出通过LCL滤波器并入电网，UUPCf分别为LCL滤波器的逆变器输出侧电感、电网侧电 感以及滤波电容，其中忽略各滤波元件UUP&的内阻影响，m、i^别为逆变器输出电压 和电流，u g、ig分别为电网电压和并网电流。
[0040] 由图1所示单相LCL滤波器拓扑，不难导出逆变器输出电压m、逆变器输出电流^与 电网电压ug、并网电流i g的关系如下：
[0041] Ui(s) = (l+s2LiCf )ug(s) + [s3LiLgC