第３１卷第２期 ２０１２年４月 电工电能新技术 Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１２ 中小功率并网逆变器中滤波器的分析和设计 陈小宇，罗利文 （上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海２００２４０） 摘要：小功率并网逆变器输出含有较多的谐波，直接并网会给电网带来一定的谐波污染。传统的 无阻尼ＬＣＬ型滤波器存在零阻抗谐振带，很难滤除谐振频率附近的谐波，同时也会影响电流跟踪 的精度。在无阻尼的ＬＣＬ型滤波器基础之上，设计了带阻尼的滤波器；并且利用仿真软件分析了 阻尼电阻值对系统损耗和滤波效果的影响。对样机输出电流进行傅里叶分析可知阻尼型滤波器能 够显著地减少输出电流谐波含量，同时提高电流跟踪精度。 关键词：逆变器；滤波器；无差拍；谐波率 中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—３０７６（２０１２）０２－００３９－０３ 。１ 引言 光伏发电是一种新型的发电方式，通过并网逆 变器将光伏电池产生的直流电转化为交流输入公共 电网，给远方负载供电。就控制对象而言，并网逆变 器有电压控制和电流控制两种。文章采用无差拍电 流控制方案，实时跟踪电网电压，避免输出电流波形 失真，实现了稳定的并网。 输出波形的谐波含量是衡量开关型电源优劣的 一２ 系统结构及控制方案 单相逆变器拓扑如图１所示。其中Ｃ。和ｃ分 别是直流侧和交流侧电容；Ｌ和 是滤波电感， 是直流母线电压， 是逆变输出电压， 是电网电 压，， 是并网电流，Ｒ 是阻尼电阻。逆变器通过 ＬＣＬ滤波器并网。 个重要指标。ＳＰＷＭ调制方式使得逆变器输出电 流中包含了大量的谐波，直接并网必然对电网造成 谐波污染，影响电能质量。故而有必要加滤波器降 低谐波量。Ｌ型滤波器是一阶的，对高次谐波衰减 速率很难满足要求。而ＬＣＬ型滤波器是三阶滤波 器，对高频段的谐波以一６０ｄＢ／ｄｅｃ速率衰减。获得 同样滤波效果所需电感较Ｌ型要小得多。但ＬＣＬ 滤波器存在一个零阻抗谐振点，这会影响滤波器对 高频谐波的衰减速率。加入阻尼电阻可削弱谐振的 影响，但这又会带来系统效率的一些下降。阻尼电 阻的引入有必要兼顾滤波器损耗和滤波效果。文章 利用Ｍａｔｌａｂ软件仿真了不同阻尼值对系统损耗和 滤波效果的影响，并给出了合理阻尼电阻的选取 方案。 图１并网逆变器主电路 Ｆｉｇ．１ Ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｇｒｉｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ 无差拍控制，从系统的状态方程出发，利用当前 的状态量计算出下一采样周期系统输入参考量，使 得输出量跟踪输入量。 对于单相并网的系统，有下面方程成立： Ｖｏ（ｔ）＝ ｄｌ ＋ ） （１） 收稿日期：２０１１＿０６＿２４ 作者简介：陈小宇（１９８５－），男，江苏籍，硕士研究生，研究方向为：电力电子技术； 罗利文（１９６８－），男，上海籍，副教授，研究方向为工业控制和新能源。 耗， ３・１励源一；独作用时的响应之祁。 搿 牡 Ｆｉｇ．４图 ４Ｄａｍ阻ｐｉ尼ｎｇ值 ｉｎ对ｌｆｕ滤ｅｎ波ｃｅ效ｏｎ果ｉｆ的ｌｔｅ影ｒｉｎ响ｇ ｅ￡ｆｅｃｔ 第２期 陈小宇，等：中小功率并网逆变器中滤波器的分析和设计 ４１ 从图４中可以看出，在ｆ＝１０ Ｈｚ左右，伯德图 对波形进行傅里叶分析可以发现，随着阻尼电 有一个很高尖峰，说明系统在此发生谐振。随着阻 阻的增加，并网电流中的谐波含量明显减少，Ｒ ＝０ 尼电阻的增加，尖峰逐渐变小，说明谐振得到抑制。 的谐波率为５．８％，Ｒ ＝３的谐波率为３．６％。Ｒ ＝ 另外，阻尼值的引入并不改变系统对低频分量的作 １５的谐波率为３．２％，而且就电流跟踪的精度而言， 用，但对高频分量的抑制能力逐渐减弱。 加入阻尼电阻后明显提高了很多。 综合上述分析，阻尼值的选取首先考虑的就是 在实践中取Ｒ ＝３，此时系统损耗和滤波效果 滤波器功率损耗，阻尼值不宜过大；在允许的功耗范 都是较为理想的，并且能满足工程所需。 围内，可以采取适当的阻尼值减少谐振尖峰。 已知系统参数：额定功率２ｋＷ，直流母线电压为 ５ 结论 ４００Ｖ，载波频率１５ｋＨｚ，给出滤波参考值Ｌ＝２．３ｍＨ， 本文设计了一套２ｋＷ并网逆变器，采用无差拍 Ｌ ＝０．２ｍＨ，Ｃ＝６．０ｐＷ，Ｒｄ取值范围为０一ｌ３Ｑ。 电流跟踪控制方案，实现了对电网电压实时跟踪。 ４仿真结果 通过系统的仿真，得出阻尼电阻能够增强滤波效果， 提高系统稳定性的结论。并且在系统功耗损失允许 图５是阻尼值为０１２时并网电流波形图。 范围内，给出了阻尼型ＬＣＬ滤波器的参考值。实验 证明了该方案在实用中具有一定的可行性。 参考文献（ＲｅｆｅＦｅｎｃｅｓ）： ［Ｉ］Ｈｉｌｍｙ Ａｗａｒｄ，Ｊａｎ Ｓｖｅｎｓｓｏｎ，Ｂｏｌｌｅｎ Ｍ Ｊ．Ｔｕｎｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｆｏｒ ｓｅｒｉｅｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００５，２０（１）：３００．３０８． ［２］赵为（Ｚｈａｏ Ｗｅｉ）．太阳能光伏并网的研究（Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＰＶ ｇｒｉｄ ｉｎ ｓｙｓｔｅｍ）［Ｄ］．合肥：合肥工业大学 图５无阻尼的并网波形 （Ｈｅｆｅｉ：Ｈｅｉｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），２００３． Ｆｉｇ．５ Ｇｒｉｄ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ［３］余运江（Ｙｕ Ｙｕｎｊｉａｎｇ）．单相光伏并网逆变器的研究 图６是阻尼值为１３Ｑ时并网电流波形图。 （Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｇｉｒｄ ｉｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）［Ｄ］．杭 州：浙江大学（Ｈａｎｇｚｈｏｕ：Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），２００８． ［４］张承慧，叶颖，等（Ｚｈａｎｇ Ｃｈｅｎｇｈｕｉ，Ｙｅ Ｙｉｎｇ，ｅｔ ａ１．）．基 于输出电流控制的光伏并网逆变电源（Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒ－ ｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏ１）［Ｊ］．电工技术学报（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ），２００７，２２（２）：７４．７７． ［５］赵仁德，赵强，李方，等（Ｚｈａｏ Ｒｅｎｄｅ，Ｚｈａｏ Ｑｉａｎｇ，Ｌｉ Ｆａｎｇ，ｅｔ ａ１．）．ＬＣＬ滤波的并网变换器中阻尼电阻的影 响分析（Ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｎ ｇｒｉｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ＬＣＬ ｆｉｌｔｅｒ）［Ｊ］．电力系统及其自动化学报（Ｐｒｏ． 图６阻尼为１３１１的波形 ｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＵ－ＥＰＳＡ），２００９，２１（６）：７４－７７． Ｆｉｇ．６ Ｇｒｉｄ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｗｉｔｈ １３１１ ｒｅｓｉｓｔｅｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｇｒｉｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｆｉｌｔｅｒ ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ—ｙｕ，ＬＵＯ Ｌｉ—ｗｅｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｇｒｉｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔａｉｎｓ ｐｌｅｎｔｙ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｅｓ，ｗｈｅｎ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｇｒｉｄ ｗｉｌｌ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｒｉｎｇ （下转第５５页。ｃｏｎｔ．ｏｎ Ｐ．５５） 第２期 徐锋，等：有源电力滤波器直流侧电压优化控制研究 ５５ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ）［Ａ］．首届电能质 ５ 结论 量学术会议论文集（Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｃａｄｅｍｉｃ 通过实验观察直流侧电压的细微波动和空载时 ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）［Ｃ］．北京（Ｂｅｉｊｉｎｇ），２００９． ＰＷＭ脉冲边沿抖动，两方面都可以作为衡量直流侧 ［３］周雪松，周永兵，马幼捷（Ｚｈｏｕ Ｘｕｅｓｏｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｙｏｎｇ— 电压稳定的依据。直观反映出直流侧电压波动对补 ｂｉｎｇ，Ｍａ Ｙｏｕｊｉｅ）．一种先进的ＡＰＦ补偿电流白适应谐 波检测法（Ａｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ＡＰＦ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｄａｐ－ 偿效果的影响，并通过理论分析工频周期内电压波 ｔｉｖｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｍｅｔｈｏｄ）［Ｊ］．电力电子技术（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ 动对系统电流的影响。通过类似于模糊控制的优化 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），２００８，４２（４）：９一ｌ１． 控制方式，减小直流侧电压波动而且减少了ＰＷＭ ［４］王大志，葛帅，李俊，等（Ｗａｎｇ Ｄａｚｈｉ，Ｇｅ Ｓｈｕａｉ，Ｌｉ Ｊｕｎ， 脉冲抖动次数，取得了比较理想的补偿效果。 ｅｔ ａ１．）．有源电力滤波器锁相倍频电路的参数优化 （Ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｆｌｔｅｒ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋ ｔｉｍｅｓ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐａ・ 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）［Ｊ］．电力电子技术（Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃ－ ［１］罗世国，侯振程（Ｌｕｏ Ｓｈｉｇｕｏ，Ｈｏｕ Ｚｈｅｎｃｈｅｎｇ）．有源滤 ｔｒｏｎｉｃｓ），２０１０，４４（１２）：１４－１７． 波器直流侧电压闭环控制的稳定性研究（ＡＰＦ ｄｃ ｖｏｌｔ－ ［５］周雪松，周永兵，马云斌，等（Ｚｈｏｕ Ｘｕｅｓｏｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｙｏｎｇ— ａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏ１）［Ｊ］．重庆大学学 ｂｉｎｇ，Ｍａ Ｙｕｎｂｉｎ，ｅｔ ａ１．）．并联型有源电力滤波器直流 报（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖ．），１９９４，１７（３）：６０－６８． 侧电压分析（Ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｙｐｅ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｆｌｔｅｒ ｄｃ ｓｉｄｅ ［２］刘进军（Ｌｉｕ Ｊｉｎｊｕｎ）．基于ＶＳＣ的电能质量补偿装置 ｖｏｌｔａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ）［Ｊ］．中国电力（Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗ－ 控制方法回顾（Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ＶＳＣ ｅｒ），２００９，２（４２）：２４－２８． Ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｒ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ＸＵ Ｆｅｎｇ ，ＣＨＥＮＧ Ｈａｎ—ｘｉａｎｇ ，ＨＥ Ｓｈａｏ．ｙａｎｇ （１．Ｅｌｅｃｔｉｒｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｔａｉｚｈｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｉｚｈｏｕ ３ １ ８０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ＤＣ ｓｉｄｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｖｏｈａｇｅ ｏｆ ＡＰＦ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｂｅｔｔｅｒ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍｏｒｅ ｆａｖｏｒａｂｌｅ．Ｔｏ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｉｎ ｔｈｅ ＤＣ ｓｉｄｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙ— ｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｃａｎ ｂｅ ｂｅｔｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈａｒｍｏｎｉｃｓ；ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ；ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ （上接第４ｌ页，ｃｏｎｔ．ｆｒｏｍ Ｐ．４１） ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｇｒｉｄ ａｎｄ ｉｓ ｈａｒｍｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｃｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ａ ｚｅｒｏ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｂａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＬＣＬ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ＬＣＬ ｗｉｔｈｏｕｔ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｆｉｌ－ ｔｅｒ ｗｉｔｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ＴＨＤ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔｒａｃｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｆｉｌｔｅｒ；ｄｅａｄｂｅａｔ；ｈａｒｍｏｎｉｃｓ