三相LCL型光伏并網逆變器設計

摘 要：

逆變器是光伏發電實現并網的核心元件，其性能直接影響光伏并網發電的穩定性和電能質量。針對LCL型濾波器諧振尖峰，研究分析了6種無源阻尼方法。采用電容支路串電阻法抑制諧振尖峰，設計了基于并網電流反饋無源阻尼的三相LCL型光伏逆變器結構，并對各項參數進行了優化設計。最后，仿真驗證了逆變器結構的有效性和參數設計的合理性，為創新港概念廠項目實施光伏發電提供了技術參考和指導。

0引言

面對資源匱乏、能源短缺、環境污染等一系列問題，光伏、風力等新能源發電迅猛發展，成效顯著。隨著國家雙碳政策的出臺，光伏產業并網發電受到政策扶持和鼓勵。在雙碳目標的驅動下，作為耗能大戶的污水處理廠開始著眼于利用光伏發電實現節能降耗[1-2]。污水處理廠擁有占地面積大、空間開闊的天然優勢，將光伏并網發電引入污水處理項目，不僅可以降低自身用電成本，還可實現大氣環境和水環境污染減排的雙贏，促進污水處理企業可持續發展。并網逆變器是光伏發電系統與電網之間的能量傳遞裝置，在向電網輸送高質量電能的過程中發揮著關鍵作用[3]。并網逆變器的逆變器橋輸出電壓中含有豐富的開關諧波，為抑制開關諧波導致的并網電流諧波，需要在逆變器中引入濾波器，LCL型濾波器與L型濾波器相比具有更好的諧波抑制能力和衰減特性，因此被廣泛應用。

創新港項目設想采用前瞻的構思、獨特的創意和最新的科技成果打造城市污水處理“概念廠”，以探索中國環境保護未來的發展方向，改變人們對污水處理的理念，由高能耗高物耗向能源化資源化方向發展。概念廠力求大幅提高污水處理廠能源自給率，實現節能降耗，充分利用太陽能產能供給廠區耗能。為指導創新港概念廠項目實現光伏并網發電，本文將設計一種光伏并網逆變器結構，通過建立數學模型分析濾波器諧振機理，根據幅頻特性曲線對比L型濾波器和LCL型濾波器的濾波特性，并闡釋LCL型濾波器的諧振現象。為抑制諧振尖峰，研究分析了6種基于無源阻尼的濾波器支路串并聯電阻方法。采用電容支路串聯電阻的無源阻尼控制方法抑制諧振尖峰，設計了一種基于并網電流反饋無源阻尼的三相LCL型光伏逆變器結構，并進行了參數優化設計，仿真結果表明，設計的并網逆變器實現了單位功率因數并網運行。

1三相LCL型并網逆變器諧振機理分析

三相LCL型光伏并網逆變器拓撲結構如圖1所示[4]，Udc為由光伏電池組件提供的直流輸入電壓，I1為逆變器側電流，LCL型濾波器由逆變器側濾波電感L1、濾波電容Cf和網側濾波電感L2構成，VT1～VT6代表三相逆變器的6個IGBT開關管，I2為電網電流，Ug為電網電壓。

為簡化分析過程，任選圖1中的某一相進行研究，忽略各個電感中的伴生電阻，得到其動態結構如圖2所示。

將電網電壓Ug看成擾動輸入信號us，可得：

繼而可以得到并網電流is（s）與輸出電壓u（s）的傳遞函數：

同理可得L型濾波器并網電流is（s）與輸出電壓u（s）的傳遞函數：

為分析LCL型濾波器諧振機理和濾波特性，繪制式（2）和式（3）的幅頻特性曲線，如圖3所示。根據圖3可知，諧振點前L型濾波器和LCL型濾波器幅頻特性曲線基本一致，說明兩者在該頻域濾波特性相同。LCL型濾波器在頻率大約為104（諧振點）處產生一個正向諧振尖峰，同時相位發生180°的跳變。高頻段，LCL型濾波器幅頻特性曲線的衰減速率是L型濾波器的3倍，因此LCL型濾波器抑制高次諧波效果更佳，更適用于并網逆變器。

2LCL型濾波器無源阻尼方法

LCL型濾波器存在嚴重的諧振尖峰，需要適當的阻尼策略來抑制諧振尖峰，避免其可能導致系統不穩定現象[5]。阻尼諧振最直接的方法是在LCL型濾波器電感或電容上串聯/并聯電阻，即無源阻尼方法。

無源阻尼方法依據阻尼電阻不同的放置位置可以分成6種[6-7]，如圖4所示：電感L1串聯（R11）或并聯（R12）電阻，電感L2串聯（R22）或并聯（R21）電阻，電容C串聯（R32）或并聯（R31）電阻。

根據圖4所示逆變器并網電流與輸出電壓之間的傳遞函數繪制6種LCL型濾波器無源阻尼法的頻率特性，如圖5所示。

由圖5（a）和（c）可知，逆變器側或電網側電感串聯電阻，電阻大小影響幅頻特性，阻值越大，諧振尖峰抑制效果越明顯，但會導致濾波器低頻段增益降低，削弱對高頻諧波的抑制能力。由圖5（b）和（d）可知，逆變器側或電網側電感并聯電阻，隨著電阻值的減小，阻尼效果更好，諧振尖峰的抑制作用更顯著，然而，高頻段增益的減小影響了高頻諧波衰減能力。由圖5（e）和（f）可知，濾波電容支路串聯電阻，電阻值越大，阻尼效果越好，當電阻值為電容容抗的4%左右時，基本完全抑制了諧振尖峰；濾波電容并聯電阻不會影響低頻段和高頻段濾波特性，但阻尼損耗較大。綜上所述，濾波電容串電阻的方法因其簡單且損耗小被廣泛應用，因此本文設計的三相LCL型光伏并網逆變器采用濾波電容串聯電阻的方法來抑制諧振尖峰。

3三相LCL型并網逆變器參數設計

3.1 逆變器側濾波電感L1參數設計

濾波電感L1的大小取決于逆變器側電流紋波?i，電流紋波太大會造成電感的損壞過大，一般規定電流紋波為額定電流的15%到25%，濾波電感L1與電流紋波?i的函數關系[8]：

式中：Udc、Ug、fs和Pn分別為直流電壓、電網電壓、采樣頻率和額定功率。

3.2 逆變器側濾波電容Cf參數設計

濾波電容能夠抑制逆變器系統輸出電流的諧波，同時產生無功功率。電容Cf越大，產生無功越多，造成的損耗越大。電容Cf較小，則諧波衰減效果不佳，無法滿足并網電流的諧波衰減要求。因此，電容Cf應合理設計。一般而言，電容產生的無功功率應小于系統額定功率的5%，即：

式中：f為電網頻率。

3.3 網側濾波電感L2參數設計

網側濾波電感L2的設計要綜合考慮，濾波電感太大會降低逆變器系統的動態響應速度，而太小會影響諧振頻率，并且增加整個系統損耗。網側濾波電感L2與逆變器側電感L1滿足如下關系式：

式中：K為系數，0＜K＜1。

不同的K值會使LCL型濾波器呈現不同的幅頻特性，如圖6所示?？梢钥闯?，系數K越小，諧振頻率越大，高頻諧波抑制能力越差。系數K大到一定程度時，諧振頻率和高頻諧波抑制能力差別并不顯著，故本文選取系數K=0.5。

3.4 濾波電容Cf參數設計的驗證

一般設計要求諧振頻率fres在10倍電網頻率和0.5倍采樣頻率之間，即：

將設計的L1、L2、C的值代入式（7），得出系統的諧振頻率為：

經計算fres=1450.7Hz，因f=50Hz，fs=10kHz，所以10f≤fres≤0.5fs滿足諧振頻率限制條件。因此，可以驗證逆變器側電感L1、網側電感L2和濾波電容Cf的取值是合理、有效的。

3.5 阻尼電阻Rd參數設計

阻尼電阻Rd的取值一般為諧振頻率時容抗的1/3，即：

3.6 PI控制器參數設計

當并網電流閉環調節器Gi（s）采用PI調節器時，其傳遞函數可表示為[9]：

式中：Kp和Ki分別為比例和積分增益。根據PI控制器閉環傳遞函數，由勞倫斯穩定判據取值。

4仿真驗證及結果分析

為驗證圖7電流反饋無源阻尼三相LCL型光伏并網逆變器結構的有效性，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，其中，光伏電池組用直流電壓代替，電網電壓Ug=380V、直流電壓Udc=800V、電網頻率f=50Hz、阻尼電阻Rd=3.63Ω、L1=3.3mH、L2=1.65mH、Cf=10.9μF、采樣頻率fs=10kHz、Kp=10.7、Ki=1 085。

并網電流與電網電壓的仿真波形如圖8所示，可以看出設計的并網逆變器通過直接電流控制方法使得輸出電流逆變為與電網電壓同頻同相的正弦波，且波形平滑、無明顯畸變，良好地實現了并網要求。功率因數仿真結果如圖9所示，可以看出通過閉環控制設計的逆變器結構實現了單位功率因數并網運行。

5結語

本文為設計三相LCL型光伏并網逆變器，首先分析了LCL型并網逆變器的諧振機理，針對LCL型濾波器產生的諧振尖峰，研究對比分析了6種基于無源阻尼抑制諧振尖峰的方法。其次，對設計的基于并網電流反饋無源阻尼三相LCL型光伏并網逆變器參數進行了優化設計。最后，通過搭建仿真模型驗證了并網逆變器的有效性和實用性，為概念廠光伏并網發電提供了技術支持，可實現光伏系統單位功率因數并網運行。

審核編輯：湯梓紅