三相LCL型光伏并网逆变器设计

摘   要：

逆变器是光伏发电实现并网的核心元件，其性能直接影响光伏并网发电的稳定性和电能质量。针对LCL型滤波器谐振尖峰，研究分析了6种无源阻尼方法。采用电容支路串电阻法抑制谐振尖峰，设计了基于并网电流反馈无源阻尼的三相LCL型光伏逆变器结构，并对各项参数进行了优化设计。最后，仿真验证了逆变器结构的有效性和参数设计的合理性，为创新港概念厂项目实施光伏发电提供了技术参考和指导。

0引言

面对资源匮乏、能源短缺、环境污染等一系列问题，光伏、风力等新能源发电迅猛发展，成效显著。随着国家双碳政策的出台，光伏产业并网发电受到政策扶持和鼓励。在双碳目标的驱动下，作为耗能大户的污水处理厂开始着眼于利用光伏发电实现节能降耗[1-2]。污水处理厂拥有占地面积大、空间开阔的天然优势，将光伏并网发电引入污水处理项目，不仅可以降低自身用电成本，还可实现大气环境和水环境污染减排的双赢，促进污水处理企业可持续发展。并网逆变器是光伏发电系统与电网之间的能量传递装置，在向电网输送高质量电能的过程中发挥着关键作用[3]。并网逆变器的逆变器桥输出电压中含有丰富的开关谐波，为抑制开关谐波导致的并网电流谐波，需要在逆变器中引入滤波器，LCL型滤波器与L型滤波器相比具有更好的谐波抑制能力和衰减特性，因此被广泛应用。

创新港项目设想采用前瞻的构思、独特的创意和最新的科技成果打造城市污水处理“概念厂”，以探索中国环境保护未来的发展方向，改变人们对污水处理的理念，由高能耗高物耗向能源化资源化方向发展。概念厂力求大幅提高污水处理厂能源自给率，实现节能降耗，充分利用太阳能产能供给厂区耗能。为指导创新港概念厂项目实现光伏并网发电，本文将设计一种光伏并网逆变器结构，通过建立数学模型分析滤波器谐振机理，根据幅频特性曲线对比L型滤波器和LCL型滤波器的滤波特性，并阐释LCL型滤波器的谐振现象。为抑制谐振尖峰，研究分析了6种基于无源阻尼的滤波器支路串并联电阻方法。采用电容支路串联电阻的无源阻尼控制方法抑制谐振尖峰，设计了一种基于并网电流反馈无源阻尼的三相LCL型光伏逆变器结构，并进行了参数优化设计，仿真结果表明，设计的并网逆变器实现了单位功率因数并网运行。

1三相LCL型并网逆变器谐振机理分析

三相LCL型光伏并网逆变器拓扑结构如图1所示[4]，Udc为由光伏电池组件提供的直流输入电压，I1为逆变器侧电流，LCL型滤波器由逆变器侧滤波电感L1、滤波电容Cf和网侧滤波电感L2构成，VT1～VT6代表三相逆变器的6个IGBT开关管，I2为电网电流，Ug为电网电压。

为简化分析过程，任选图1中的某一相进行研究，忽略各个电感中的伴生电阻，得到其动态结构如图2所示。

将电网电压Ug看成扰动输入信号us，可得：

继而可以得到并网电流is（s）与输出电压u（s）的传递函数：

同理可得L型滤波器并网电流is（s）与输出电压u（s）的传递函数：

为分析LCL型滤波器谐振机理和滤波特性，绘制式（2）和式（3）的幅频特性曲线，如图3所示。根据图3可知，谐振点前L型滤波器和LCL型滤波器幅频特性曲线基本一致，说明两者在该频域滤波特性相同。LCL型滤波器在频率大约为104（谐振点）处产生一个正向谐振尖峰，同时相位发生180°的跳变。高频段，LCL型滤波器幅频特性曲线的衰减速率是L型滤波器的3倍，因此LCL型滤波器抑制高次谐波效果更佳，更适用于并网逆变器。

2LCL型滤波器无源阻尼方法

LCL型滤波器存在严重的谐振尖峰，需要适当的阻尼策略来抑制谐振尖峰，避免其可能导致系统不稳定现象[5]。阻尼谐振最直接的方法是在LCL型滤波器电感或电容上串联/并联电阻，即无源阻尼方法。

无源阻尼方法依据阻尼电阻不同的放置位置可以分成6种[6-7]，如图4所示：电感L1串联（R11）或并联（R12）电阻，电感L2串联（R22）或并联（R21）电阻，电容C串联（R32）或并联（R31）电阻。

根据图4所示逆变器并网电流与输出电压之间的传递函数绘制6种LCL型滤波器无源阻尼法的频率特性，如图5所示。

由图5（a）和（c）可知，逆变器侧或电网侧电感串联电阻，电阻大小影响幅频特性，阻值越大，谐振尖峰抑制效果越明显，但会导致滤波器低频段增益降低，削弱对高频谐波的抑制能力。由图5（b）和（d）可知，逆变器侧或电网侧电感并联电阻，随着电阻值的减小，阻尼效果更好，谐振尖峰的抑制作用更显著，然而，高频段增益的减小影响了高频谐波衰减能力。由图5（e）和（f）可知，滤波电容支路串联电阻，电阻值越大，阻尼效果越好，当电阻值为电容容抗的4%左右时，基本完全抑制了谐振尖峰；滤波电容并联电阻不会影响低频段和高频段滤波特性，但阻尼损耗较大。综上所述，滤波电容串电阻的方法因其简单且损耗小被广泛应用，因此本文设计的三相LCL型光伏并网逆变器采用滤波电容串联电阻的方法来抑制谐振尖峰。

3三相LCL型并网逆变器参数设计

3.1  逆变器侧滤波电感L1参数设计

滤波电感L1的大小取决于逆变器侧电流纹波∆i，电流纹波太大会造成电感的损坏过大，一般规定电流纹波为额定电流的15%到25%，滤波电感L1与电流纹波∆i的函数关系[8]：

式中：Udc、Ug、fs和Pn分别为直流电压、电网电压、采样频率和额定功率。

3.2  逆变器侧滤波电容Cf参数设计

滤波电容能够抑制逆变器系统输出电流的谐波，同时产生无功功率。电容Cf越大，产生无功越多，造成的损耗越大。电容Cf较小，则谐波衰减效果不佳，无法满足并网电流的谐波衰减要求。因此，电容Cf应合理设计。一般而言，电容产生的无功功率应小于系统额定功率的5%，即：

式中：f为电网频率。

3.3  网侧滤波电感L2参数设计

网侧滤波电感L2的设计要综合考虑，滤波电感太大会降低逆变器系统的动态响应速度，而太小会影响谐振频率，并且增加整个系统损耗。网侧滤波电感L2与逆变器侧电感L1满足如下关系式：

式中：K为系数，0＜K＜1。

不同的K值会使LCL型滤波器呈现不同的幅频特性，如图6所示。可以看出，系数K越小，谐振频率越大，高频谐波抑制能力越差。系数K大到一定程度时，谐振频率和高频谐波抑制能力差别并不显著，故本文选取系数K=0.5。

3.4  滤波电容Cf参数设计的验证

一般设计要求谐振频率fres在10倍电网频率和0.5倍采样频率之间，即：

将设计的L1、L2、C的值代入式（7），得出系统的谐振频率为：

经计算fres=1 450.7 Hz，因f=50 Hz，fs=10 kHz，所以10f≤fres≤0.5fs满足谐振频率限制条件。因此，可以验证逆变器侧电感L1、网侧电感L2和滤波电容Cf的取值是合理、有效的。

3.5  阻尼电阻Rd参数设计

阻尼电阻Rd的取值一般为谐振频率时容抗的1/3，即：

3.6  PI控制器参数设计

当并网电流闭环调节器Gi（s）采用PI调节器时，其传递函数可表示为[9]：

式中：Kp和Ki分别为比例和积分增益。根据PI控制器闭环传递函数，由劳伦斯稳定判据取值。

4仿真验证及结果分析

为验证图7电流反馈无源阻尼三相LCL型光伏并网逆变器结构的有效性，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，其中，光伏电池组用直流电压代替，电网电压Ug=380 V、直流电压Udc=800 V、电网频率f=50 Hz、阻尼电阻Rd=3.63 Ω、L1=3.3 mH、L2=1.65 mH、Cf=10.9 μF、采样频率fs=10 kHz、Kp=10.7、Ki=1 085。

并网电流与电网电压的仿真波形如图8所示，可以看出设计的并网逆变器通过直接电流控制方法使得输出电流逆变为与电网电压同频同相的正弦波，且波形平滑、无明显畸变，良好地实现了并网要求。功率因数仿真结果如图9所示，可以看出通过闭环控制设计的逆变器结构实现了单位功率因数并网运行。

5结语

本文为设计三相LCL型光伏并网逆变器，首先分析了LCL型并网逆变器的谐振机理，针对LCL型滤波器产生的谐振尖峰，研究对比分析了6种基于无源阻尼抑制谐振尖峰的方法。其次，对设计的基于并网电流反馈无源阻尼三相LCL型光伏并网逆变器参数进行了优化设计。最后，通过搭建仿真模型验证了并网逆变器的有效性和实用性，为概念厂光伏并网发电提供了技术支持，可实现光伏系统单位功率因数并网运行。  

审核编辑：汤梓红