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一种光伏逆变器的LCL滤波器设计

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  摘    要:光伏发电因安全、清洁而具优势,光伏逆变器是光伏发电的核心设备,因而受到广泛和深入的关注。研究了光伏逆变器LCL滤波器设计,采用两级非隔离拓扑结构,前级DC/DC变换器采用Boost升压斩波电路,后级DC/AC逆变桥采用三相桥式逆变电路,建立了数学模型,给出了LCL滤波器结构控制方案。阐述了LCL滤波器具体参数设计过程,运用MATLAB建立仿真模型,通过仿真测试,该逆变器产生的并网电压波形呈现正弦波形,曲线光滑无毛刺,符合国家电能质量标准,表明该LCL滤波器参数设计合理可靠,具有理论和实际应用价值。
  关键词:光伏发电;光伏逆变器;LCL滤波器;谐波
  中图分类号:TM 914.4           文献标识码:A             文章编号:2095-7394(2019)06-0073-06
  光伏发电具有清洁无污染、用之不竭等优点,因而越来越得到世界各国的关注,被认为是21世纪最具活力的新能源之一。[1-3]随着电力电子技术的快速发展,包括光伏发电逆变器、有源电力滤波器等在内的各类电力电子装置,已逐渐广泛应用于现代电力系统中。并网逆变器是光伏发电的核心设备,同时对于配电网电能质量治理提高也起着重要作用,因此,光伏逆变器已成为众多学者的主要研究对象。[4-10]
  对于并网逆变器,当前主要采用脉宽调制技术进行并网控制,取得了很好的控制效果,但由于逆变器的逆变桥开关动作将产生高频电流成分,从而使输出电流极易引起电流波动及电压浪涌冲击;针对此问题,可采用LCL滤波器来滤除脉冲电压。LCL滤波器是一种三阶低通滤波器,能够在降低电感要求的情况下实现非常有效的开关谐波衰减,将电流谐波含量进行滤除,[11-12]此外,逆变器的输出滤波器还起着并网和隔离作用,保护逆变器全桥开关管,防止其受到电网端高频暂态干扰的影响。但如果逆变器LCL滤波器参数设计不佳,也可能将谐振问题引入光伏发电系统,这使得逆变器闭环电流控制器的设计具有挑战性。因此,对于LCL滤波器参数的设计,既要考虑滤波电感以满足并网电流的谐波指标,也要满足并网电流跟踪电网电压的快速性要求;而在设计滤波电容时,需要兼顾衰减高频谐波能力与系统高效率的问题。[13-14]
  本文主要研究光伏逆变器LCL滤波器设计,采用两级非隔离拓扑结构,前级DC/DC变换器采用Boost升压斩波电路,后级DC/AC逆变桥采用三相桥式逆变电路,建立数学模型,给出了LCL滤波器结构控制方案;通过阐述LCL滤波器具体参数设计过程,运用MATLAB建立仿真模型进行仿真测试。
  1   三相桥式LCL滤波器的数学模型
  图1所示为具有LCL滤波的光伏并网逆变器拓扑结构,其中:左侧为一个三相桥式逆变电路;与逆变电路连接的是LCL滤波,由逆变侧电感[L1]、以Y型相连的三个电容组成的滤波电容C、与电网端相连接的网侧电感[L2]构成。
  2    LCL滤波器参数设计与优化
  光伏并网发电系统主要设计指标参数包括:直流母线电压[Vdc=750 V],电网相电压[En=220 V],频率[f=50 Hz],额定有功功率[Pn=10 KW],逆变桥开关频率设置为[fs=20 kHz]。
  2.1  桥臂侧电感值计算
  对于逆变器并网控制策略,采用SVPWM调制方式,则LCL滤波器的输入电流纹波[15]为:
  2.2  滤波电容值计算
  LCL滤波器中增加电容支路,不仅可以有效地滤除并网逆变器输出电流中的高频谐波成分,从而提升并网电流波形品质,而且可以保证并网逆变器能以较高的功率因数输出。设计中,限定滤波电容产生的无功功率的上限为系统额定功率的5% [15],即:
  3    MATLAB/Simulink 仿真及結果分析
  为了验证上述光伏逆变器LCL滤波器参数设计的正确性与合理性,在MALAB/Simulink仿真环境下搭建了基于LCL滤波的三相光伏并网逆变器仿真模型,其参数如表1所示。
  通过仿真,a相电流波形如图3所示。其中:图3(a)为未通过LCL滤波的逆变侧a相电流波形;图3(b)为通过LCL滤波的电网侧a相电流波形。对比可见,经过LCL滤波后,正弦电流畸变明显减小,电流曲线光滑无毛刺,谐波含量减少,电流质量明显得到改善。
  三相逆变输出滤波前后的并网电流波形如图4所示。其中:图4(a)为未通过LCL滤波的逆变侧三相电流波形;图4(b)为通过LCL滤波的电网侧三相电流波形。显然,经过LCL滤波的电流波形得到明显改善,逆变器的谐波成分得到很好的抑制,从而提高了逆变器并网的电能质量。
  为进一步验证逆变器并网的谐波抑制效果,对滤波前后输出电流信号进行频谱分析,其频谱如图5所示。其中:图5(a)为逆变侧电流谐波频谱图;图5(b)为电网侧电流谐波频谱图。可见,经过LCL滤波器的滤波,谐波畸变率由逆变侧电流的6.33%减小到电网侧电流反馈的2.27%,表明所设计的LCL滤波器参数性能良好,可以有效减小高次电流谐波。
  4   结语
  随着光伏发电成本的下降以及新能源的不断推广,光伏发电必将得到长足发展。本文通过对光伏发电的关键设备光伏逆变器的研究,建立了LCL逆变器的两级式拓扑结构,给出了三相静止坐标系下的模型,再经变换,得到两相旋转坐标系下的数学模型和LCL滤波器控制结构;详细给出了逆变侧电感、网侧电感和滤波电容值参数的设计过程,并对LCL滤波器参数进行优化;运用MATLAB/Simulink 搭建了基于LCL滤波的三相光伏并网逆变器仿真模型,通过仿真,验证了逆变器LCL参数设计的正确性与可行性。   参考文献:
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  责任编辑    盛    艳
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