逆变器并网及滤波器参数设计

文:2017年第四期

1引言

    基于L型滤波器的逆变器,系统结构较为简单,控制器设计较为容易,但是滤波器效果有限,为了输出电流谐波含量较低,其电流环PI调节器参数设计的非常准确;采用LCL滤波器,在逆变器并网工作时可获得较好的滤波效果,但是系统复杂成本高。

2.LC型滤波器的设计方法

    变流器并网用于光伏发电或者作为变频器带载工作时,为了降低电压电流输出谐波,得到比较理想的正弦波,常采用采用LC低通滤波器消除开关频率附近的高次谐波,如图2-1所示。一般而言,SPWM逆变器的输出LC滤波器的截止频率远远低于开关频率。根据研究发现,滤波器的截止频率选择在开关频率的1/10~1/5对高次谐波具有明显的衰减作用。

    并网时,LC滤波器的滤波电容可以忽略,其并网电流Igrid与并网逆变器的输出电压Unet的传函与光伏逆变器采用L型滤波器并网时的传函一样。LC滤波器电容C越小,在并网时越可以把滤波电容C对并网时的影响忽略掉。设计中可以取较大的C,对负载稳压越有利,但吸取的基波电流也大,可能加重逆变器的电流负载。从逆变器输出阻抗的角度看,LC滤波器中的电感应尽量小,因为它决定低频时逆变器的输出阻抗。但是,这样会增加滤波电感的谐波电流,而且为了获得同样的滤波效果必须增大滤波电容。

3.LCL滤波器参数设计

对于LCL滤波器设计应用,我们能够通过计算、仿真甚至实验来直观的感受到LCL对比于LC的优点,那就是对于高频滤波效果好,且在同样滤除谐波和较低开关频率的条件下,LCL的滤波电感值要求更低。

    LCL滤波器的谐振频率表示为fres。由于LCL滤波器容易被开关频率附近的高次谐波引起谐振,所以谐振频率fres应该和功率器件的开关频率相差较大。一般谐振频率应小于0.5fsw,但是也不能太小,否则LCL滤波器也会将低频谐波电流放大,从而引起系统不稳定。

    由图3-1LCL电路拓扑可以计算出网侧电流与桥臂侧电压的传递函数为:

    从公式(3-1)和图3-2可以看出,LCL滤波器的这种谐振特性是由于较低的系统阻尼所导致的。

    由于PWM变流器交流网侧侧输出的电流中含有大量谐波,为避免系统谐振发生,一般情况下让谐振频率fres、基波频率fn和开关频率满足以下关系才可以获得较好性能:

    LCL滤波器与LC滤波器相比,系统由二阶变为三阶,参数选择设计更加复杂。由于选择网侧电感、交流侧支路电容和交流侧电感的参数对获得较好的滤波性能和电流响应特性都有重要影响。LCL滤波器的参数设计不合理时不仅达不到预期的滤波效果,而且还会使电流发生畸变,甚至会影响系统稳态性能。

4.LCL阻抗设计

    为了增加滤波器的阻尼特性,我们采取了在电容支路上串联电阻的方案,如图4-1所示。

    可求出式Xc的值为0.456,这里近似为0.5。

    根据阻尼电阻Rd和电容容抗Xc的关系,得出Rd的参数值显示表为5-1所示。

表5-1Rd参数选值

    经过试验验证,反推Rd,这里取Rd值分别为0、0.114、0.152、0.301、0.502。针对不同的Rd取值,分别列出5个传递函数:

    新的传递函数中有了电阻Rd参数,通过不同Rd测试,可以改变滤波器谐振频率点和振峰幅度,见BODE图5-1所示。从图中可以看出,如果频宽中包含了截至频率或其附近频率,需要考虑增加阻尼电阻;

    当考虑阻尼电阻时,其选取参数需要考虑L与Lg的感抗比例匹配;同时从图一中还可以看到,Rd增大一方面使得振峰削弱,但是增益衰减度也降低了。从图中可以看出,Rd=0.114Ω和0.152Ω时,振峰和增益衰减度兼容性最好。

6结论

    从阻尼特性来说,未加入阻尼电阻时,传递函数存在谐振峰值;当加入阻尼电阻后,随着其值的增加,谐振峰值逐渐衰减。而从传递函数整个频率段的传递特性来看,阻尼电阻的加入,高频衰减特性虽没有改变,但是系统系统的低频特性发生了很大的变化,即桥臂电压对网侧电流的传输比随阻尼电阻的增加而减弱,这会影响系统的控制性能。在选取阻尼电阻R时,我们要本着两点考虑:

    1、谐振峰值尽可能小;

    2、低频谐波衰减尽可能大;

    综合以上两点考虑,择优选取Rd值。当然在实验中,如果发生这种谐振还要根据具体调整R值,观察实验效果才能定夺,因为在系统环路中,寄生参数是我们没有考虑进去的。

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