陆庆+张建+郑崇伟+戴瑜兴

摘  要： LCL型滤波器就谐波滤除相较于L型以及LC型滤波器具有很大的优势，在此首先通过对滤波总电感值L1+L2与滤波电容C2两者之间的关系进行研究，然后提出一种在滤波电容以及总电感值较低且不变的情况下，通过改变滤波电感L1，L2的值设计出满足并网要求且谐波抑制最为显著的滤波器。最后通过10 kVA样机实验验证该设计取得了良好的效果。

关键字： LCL型滤波器; 滤波电感; 滤波电容; 谐波滤除

中图分类号： TN710?34; TM464                    文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2015）02?0121?03

Comparison of parameter performances of LCL filter

LU Qing， ZHANG Jian， ZHENG Chong?wei， DAI Yu?xing

（College of Physical and Electronic Information Engineering， Wenzhou University， Wenzhou 325035， China）

Abstract： Compared with L?type harmonic filter and LC?type filter， LCL filter has a greater advantage in harmonic suppression. The relationship between the filtering total inductance L1+L2 and filtering capacitor C2 is researched， and then a design scheme of the filter which has most significant harmonic suppression and can meet grid?connection requirements by changing the filter inductance value under the cases that the total inductance value and filtering capacitor are low and unchanged is proposed. The experiments with 10 kVA prototype show that this design has obtained a good effect.

Keywords： LCL filter; filtering inductor; filtering capacitor; harmonic filtering

0  引  言

伴随着科技的飞速发展，国家对能源的需求也与日剧增，然而石油、天然气等传统能源即将面临枯竭，作为新型能源的太阳能应运而生且得到了快速发展。但是光伏并网逆变器输出的并网电流中含有大量的谐波，这些谐波会导致电能质量的恶化，继而引发大规模的事故。因而滤波器的设计对于改善电能质量尤为重要。就现阶段而言，LCL滤波器的设计方法也层出不穷。文献[1]提出了分裂电容法，将LCL型滤波器的中间旁通电容分成并联的前后两部分，取两电流的加权平均值的方法;文献[2]根据滤波器的限制条件来确定具体参数范围，但是具有很强的经验性不利于设计;文献[3]中利用被动阻尼比的方法进行相关验证等均存在相应的缺点。

本文依据LCL型滤波器中滤波总电感值[L1+L2]与滤波电容[C2]两者之间的关系提出了一种在滤波电容以及总电感值较低且不变的情况下， 通过改变滤波电感[L1]，[L2]的值即当滤波电感[L1]大于滤波电感[L2]时设计出满足并网要求且谐波含有量较少的滤波器。并且通过实验验证了在滤波电容以及总电感值较低且不变的情况下，滤波电感[L1]大于滤波电感[L2]的滤波效果明显优于滤波电感[L2]大于滤波电感[L1]所设计的LCL滤波器。

1  三相并网逆变器拓扑结构

图1为三相并网逆变器的拓扑结构图，[iPV]为直流电流，[Cdc]为直流母线电容，[Ud]为直流母线电压;[VT1～VT6]为三相逆变的6个IGBT桥臂。[R1]，[R2]分别为两侧滤波电感的内阻。该拓扑结构中LCL型滤波器的传递函数可以表示为如下：

[G（s）=iL2（s）ub（s）=1L1L2Cs3+（L2R1+L1R2）s2+（CR1+CR2+L1+L2）s+R1+R2]   （1）

2  滤波器参数性能分析

由于LCL滤波器在抑制谐波方面效果显著，故本文就LCL滤波器的参数性能进行相关比较，最后设计出一种满足并网要求且谐波抑制最为显著的滤波器。依据图1所示的并网逆变器拓扑结构中滤波电感[L1]、[L2]和滤波电容[C2]，通过Matlab仿真得到LCL型滤波器中滤波总电感值[L1+L2]与滤波电容[C2]两者之间的关系如图2所示，并且可以看出：在滤波电容[C2]值越大的时候，[L1+L2]总电感量值越小。

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图1 三相并网逆变器并网拓扑结构

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图2 滤波器中[C2]与[L1+L2]之间的关系

依据上述仿真结果，本文在保持滤波电容、总电感值较小且不变的情况下，通过改变[L1]，[L2]进行相关性能比较，最后提出在滤波电容[C2]值以及[L1+L2]总电感量值不变的情况下，[L1]电感值大于[L2]电感值的时候，此时LCL滤波器的性能达到最优。并且依据滤波器的限制条件对滤波器的参数进行如下设计：

（1） 谐振频率可以表示为：

[fres=12πL1+L2L1L2C2]    （2）

在已知谐振频率的前提下可以求出滤波电容[C2]，而[C2]吸收的无功功率不能大于系统额定有功功率的5%，此处选取2%的无功功率;可以得到：

[C2=Pn2×2πf1u2g]     （3）

式中：[Pn]为并网逆变器输出的额定有功功率;[ug]为相电压有效值;[f1]为电网基波频率。

（2） LCL滤波器总的电感所产生的阻抗压降小于正常额定工作情况下电网电压的10%;由式（2）以及上述推导可以得到：

[L2=L1ω2resL1C2-1]   （4）

3  实验验证

在额定容量10 kVA的单相并网逆变器样机上其电路拓扑如图1所示，给定电网额定电压230 V，直流电压580 V，调制频率5 kHz，并且保持滤波电容[C1]为20 μF且总电感值[L1+L2]为2.5 mH不变的情况下，通过改变[L1]，[L2]的参数进行相关比较实验，分别得到了逆变电压以及并网电流的波形图如图3所示。

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图3 实验波形

通过上述实验可以明显看出在滤波电容、总电感值不变的情况下，当滤波电感[L1]大于[L2]的时候相比[L2]大于[L1]时所设计的LCL滤波器的实际性能更加优越，即逆变器逆变输出电压以及并网电流的电能质量更加优化。

4  结  语

本文根据LCL滤波器[L1+L2]，[C2]两者之间的关系，提出了一种在滤波电容以及总电感值较低且不变的情况下，通过改变滤波电感[L1]，[L2]的值设计出满足并网要求且谐波抑制最为显著的滤波器。最后在10 kVA的单相并网逆变器样机上验证了当滤波电感[L1]大于[L2]的时候，LCL滤波器的实际性能更加显著。

参考文献

[1] 沈国桥.LCL滤波并网逆变器的分裂电容法电流控制[J].中国电机学报，2008，28（18）：36?41.

[2] 刘飞.三相并网逆变器LCL滤波器的参数设计与研究[J].电工技术学报，2010，25（3）：110?116.

[3] 魏星.三相并网逆变器的LCL滤波器设计[J].电力电子技术，2011，44（11）：13?15.

[4] 邱燕.基于谐波频谱的LCL滤波器设计[J].电力电子技术，2012，45（4）：7?9.

[5] MALESANI L， TENTI P， GAIO E， et al. Improved current control technique of VSI PWM inverters with constant modulation frequency and extended voltage range [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1991， 27（2）： 365?369.

[6] FUKUDA S， YODA T. A novel nurrent?tracking method for active filters based on a sinusoidal internal model [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2001， 37（3）： 888?895.

[7] FAINAN A， JAN S. Control of VSC connected to the grid through LCL?filter to achieve balanced currents [C]// PESC 29th Annual Meeting Conference Record of Power Electronics Specialists Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2005， 1： 572?578.

[8] SHEN Guo?qiao， XU De?hong， XI Dan?ji， et al. An improved control strategy for grid?connected voltage source inverters with a LCL filter [C]//IEEE Twenty?First Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition. [S.l.]： IEEE， 2006： 1067?1073.

[9] 黄殿君，田立欣，王硕，等.光伏并网逆变器控制和仿真[J].现代电子技术，2012，35（10）：146?148.

[10] 郭天娇，付成伟，高明，等.三相SVPWM逆变器死区时间的硬件保护[J].现代电子技术，2012，35（20）：189?191.

图2 滤波器中[C2]与[L1+L2]之间的关系

依据上述仿真结果，本文在保持滤波电容、总电感值较小且不变的情况下，通过改变[L1]，[L2]进行相关性能比较，最后提出在滤波电容[C2]值以及[L1+L2]总电感量值不变的情况下，[L1]电感值大于[L2]电感值的时候，此时LCL滤波器的性能达到最优。并且依据滤波器的限制条件对滤波器的参数进行如下设计：

（1） 谐振频率可以表示为：

[fres=12πL1+L2L1L2C2]    （2）

在已知谐振频率的前提下可以求出滤波电容[C2]，而[C2]吸收的无功功率不能大于系统额定有功功率的5%，此处选取2%的无功功率;可以得到：

[C2=Pn2×2πf1u2g]     （3）

式中：[Pn]为并网逆变器输出的额定有功功率;[ug]为相电压有效值;[f1]为电网基波频率。

（2） LCL滤波器总的电感所产生的阻抗压降小于正常额定工作情况下电网电压的10%;由式（2）以及上述推导可以得到：

[L2=L1ω2resL1C2-1]   （4）

3  实验验证

在额定容量10 kVA的单相并网逆变器样机上其电路拓扑如图1所示，给定电网额定电压230 V，直流电压580 V，调制频率5 kHz，并且保持滤波电容[C1]为20 μF且总电感值[L1+L2]为2.5 mH不变的情况下，通过改变[L1]，[L2]的参数进行相关比较实验，分别得到了逆变电压以及并网电流的波形图如图3所示。

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图3 实验波形

通过上述实验可以明显看出在滤波电容、总电感值不变的情况下，当滤波电感[L1]大于[L2]的时候相比[L2]大于[L1]时所设计的LCL滤波器的实际性能更加优越，即逆变器逆变输出电压以及并网电流的电能质量更加优化。

4  结  语

本文根据LCL滤波器[L1+L2]，[C2]两者之间的关系，提出了一种在滤波电容以及总电感值较低且不变的情况下，通过改变滤波电感[L1]，[L2]的值设计出满足并网要求且谐波抑制最为显著的滤波器。最后在10 kVA的单相并网逆变器样机上验证了当滤波电感[L1]大于[L2]的时候，LCL滤波器的实际性能更加显著。

参考文献

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[5] MALESANI L， TENTI P， GAIO E， et al. Improved current control technique of VSI PWM inverters with constant modulation frequency and extended voltage range [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1991， 27（2）： 365?369.

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[9] 黄殿君，田立欣，王硕，等.光伏并网逆变器控制和仿真[J].现代电子技术，2012，35（10）：146?148.

[10] 郭天娇，付成伟，高明，等.三相SVPWM逆变器死区时间的硬件保护[J].现代电子技术，2012，35（20）：189?191.

图2 滤波器中[C2]与[L1+L2]之间的关系

依据上述仿真结果，本文在保持滤波电容、总电感值较小且不变的情况下，通过改变[L1]，[L2]进行相关性能比较，最后提出在滤波电容[C2]值以及[L1+L2]总电感量值不变的情况下，[L1]电感值大于[L2]电感值的时候，此时LCL滤波器的性能达到最优。并且依据滤波器的限制条件对滤波器的参数进行如下设计：

（1） 谐振频率可以表示为：

[fres=12πL1+L2L1L2C2]    （2）

在已知谐振频率的前提下可以求出滤波电容[C2]，而[C2]吸收的无功功率不能大于系统额定有功功率的5%，此处选取2%的无功功率;可以得到：

[C2=Pn2×2πf1u2g]     （3）

式中：[Pn]为并网逆变器输出的额定有功功率;[ug]为相电压有效值;[f1]为电网基波频率。

（2） LCL滤波器总的电感所产生的阻抗压降小于正常额定工作情况下电网电压的10%;由式（2）以及上述推导可以得到：

[L2=L1ω2resL1C2-1]   （4）

3  实验验证

在额定容量10 kVA的单相并网逆变器样机上其电路拓扑如图1所示，给定电网额定电压230 V，直流电压580 V，调制频率5 kHz，并且保持滤波电容[C1]为20 μF且总电感值[L1+L2]为2.5 mH不变的情况下，通过改变[L1]，[L2]的参数进行相关比较实验，分别得到了逆变电压以及并网电流的波形图如图3所示。

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图3 实验波形

通过上述实验可以明显看出在滤波电容、总电感值不变的情况下，当滤波电感[L1]大于[L2]的时候相比[L2]大于[L1]时所设计的LCL滤波器的实际性能更加优越，即逆变器逆变输出电压以及并网电流的电能质量更加优化。

4  结  语

本文根据LCL滤波器[L1+L2]，[C2]两者之间的关系，提出了一种在滤波电容以及总电感值较低且不变的情况下，通过改变滤波电感[L1]，[L2]的值设计出满足并网要求且谐波抑制最为显著的滤波器。最后在10 kVA的单相并网逆变器样机上验证了当滤波电感[L1]大于[L2]的时候，LCL滤波器的实际性能更加显著。

参考文献

[1] 沈国桥.LCL滤波并网逆变器的分裂电容法电流控制[J].中国电机学报，2008，28（18）：36?41.

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[6] FUKUDA S， YODA T. A novel nurrent?tracking method for active filters based on a sinusoidal internal model [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2001， 37（3）： 888?895.

[7] FAINAN A， JAN S. Control of VSC connected to the grid through LCL?filter to achieve balanced currents [C]// PESC 29th Annual Meeting Conference Record of Power Electronics Specialists Conference. [S.l.]： [s.n.]， 2005， 1： 572?578.

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[9] 黄殿君，田立欣，王硕，等.光伏并网逆变器控制和仿真[J].现代电子技术，2012，35（10）：146?148.

[10] 郭天娇，付成伟，高明，等.三相SVPWM逆变器死区时间的硬件保护[J].现代电子技术，2012，35（20）：189?191.