制为同频同相，滤波电容C f取值过大将会导致更 多的无功电流流过滤波电容，使得逆变器的并网功率因数降低，这就是传统的LCL滤波器设 计过程中，通常要求的滤波电容&吸收的基波无功功率不能大于系统额定有功功率的5%。
[0100] 针对本发明提出的LCL滤波器设计方法，控制目标为实现电网电压和并网电流的 同频同相，即要求逆变器并网功率因数为1，此时交流电压和电流传感器均应位于电网侧， 而LCL滤波器的无源元件产生或消耗的总无功功率的大小受限于逆变器的额定容量及逆变 器输出功率因数(逆变器输出功率因数为逆变器输出有功功率占视在功率的比值）。
[0101 ] LCL滤波器滤波电感消耗的总无功功率为：
[0102] Qi = ,22)
[0103]将公式（14)代入上式(22)，可得
(23)
[0105] 同理，滤波电容Cf产生的无功功率为：
[0106] Qc ~ (0 ^ s' ^ 〇 (24)
[0107] 由于逆变器为单位功率因数并网，则有
[0108] =Ul+('>2L：n (25)
[0109]将公式(24)和(25)合并，可得
(26)
[0111] 因此，LCL滤波器消耗的总无功功率为：
[0112] Qiomi = (4 ~Ls) (27)
[0113] 由公式(19)不难看出，
[0114] Qi.nai " ^ J6 (28)
[0115] 由上述结果可以看出，对于本发明提出的LCL滤波器设计方法，当逆变器并网电流 为一确定值时，LCL滤波器消耗的总无功功率唯一地决定于滤波电感U的大小。因此，为了 不使逆变器过容量运行，且保证一定的逆变器输出功率因数，在设计滤波电感U时，需要附 加额外的限制条件。
[0116] 同时，由于上述无功功率计算公式较为简单，且逆变器采用单位功率因数并网，因 此可以很方便地知道逆变器输出的有功和无功功率，以及逆变器输出功率因数，进而可以 考虑在滤波电感U的容许值范围内，通过改变滤波电感U的值来调节逆变器输出功率因数。
[0117] 逆变器输出功率因数为：
(29)
[0119] 其中，0为逆变器输出功率因数角。
[0120] 针对本发明提出的LCL滤波器设计新方法，本实施例以一个并网逆变器系统为例， 阐明一种并网逆变器LCL型滤波器的参数设计方法，其中逆变器直流母线电压u dc = 50V，给 定并网电流幅值Igm = 2A，并网逆变器开关频率fs = 10kHz，电网基波角频率〇 =10〇3T(rad/ s)。则由式（13)可得
[0122] 为保证一定控制裕量，这里取Li = 50mH，则可得Cf=l/?2Li ? 200yF。由公式（19) 知，可以选取Lg = Li/500 = 0.1mH，则LCL滤波器在开关频率处的纹波电流衰减倍数为79,根 据公式(29)可得此时逆变器输出功率因数为0.91。
[0123] LCL滤波器在高频段存在一个谐振尖峰，为了有效地发挥LCL滤波器的高频滤波功 能，本发明选择在电容支路串联电阻的方式对LCL滤波器进行阻尼控制。在LCL滤波器的参 数设计中，阻尼电阻一般取值为谐振角频率处滤波电容&容抗的1/3,即有，
[0125] 至此，LCL滤波器的参数已全部确定，如图3所示为LCL滤波器传递函数的Bode图。
[0126] 由上述设计实例不难发现，对于本发明提出的LCL滤波器设计新方法，仅利用直流 母线电压和并网电流即可以得到全部的LCL滤波器参数，这无疑是简化了 LCL滤波器的设 计，对比传统的LCL滤波器设计方案，本发明提出的LCL滤波器设计具有明显的计算优势。
[0127] 本发明基于单相并网逆变器对提出的LCL滤波器设计方法进行了仿真验证，利用 MATLAB/Simulink作为仿真工具，将上文中设计实例中的参数作为仿真参数。另外，单相全 桥逆变器采用双极性调制，电流控制器采用准PR控制器，准PR控制器传递函数为
[0129]其中，参数kp=l .5，kr = 20, 〇c = 3T。 (30)
[0130]如图4(a)所示为仿真得到的电网电压和并网电流波形，其中图4(b)为波形在 0.15s~0.2s之间的放大图。由图示可以看出，电网电压和并网电流实现了同频同相。
[0131]图5所示为并网电流的频谱分析图，图中并网电流的总谐波含量THD = 0.68%，满 足并网要求，因此逆变器能够实现并网运行。
[0132] 本发明基于单相并网逆变器对提出的LCL滤波器设计进行了实验验证，实验中将 电容支路串联的阻尼电阻改为阻值为1欧姆的功率电阻，其余实验参数均和上述仿真参数 保持一致。图6为仿真和实验中LCL滤波器传递函数Bode图，由图示可以看出，当电容支路串 联的阻尼电阻增大时，LCL滤波器谐振峰得到了更好地抑制，但相应的其高频谐波抑制能力 受到了一定地削弱。
[0133] 如图7所示为电网电压和并网电流的实验波形，图示中电网电压和并网电流实现 了同频同相并网，且并网电流的正弦度较好，因此实验验证了本发明提出的LCL滤波器设计 方法的有效性:能够降低并网逆变器直流母线电压的限制，实现较低直流母线电压下的逆 变器并网运行。
[0134] 本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以 对本发明专利进行各种变换及同等代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过 程，而应该包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
【主权项】
1. 一种单相并网逆变器LCL滤波器设计方法，其特征在于:包括以下步骤： (1) 设计单相并网LCL型逆变器拓扑结构： 一种单相并网逆变器LCL滤波器，包括直流侧输入滤波电容Cdc，逆变器和滤波器，其中 所述逆变器由四个单相全桥逆变器开关管S1~S4组成，相互电学连接在一起，用于将输入 的直流电压ud。逆变为交流电压;所述滤波器为LCL滤波器，包括逆变器输出侧电感U、电网 侧电感L g和滤波电容Cf，所述逆变器输出侧电感1^电学连接至所述LCL滤波器的输入端，所 述电网侧电感1^电学连接至所述LCL滤波器的输出端;所述LCL滤波器的输入端耦接至所述 逆变器，所述LCL滤波器的输出端耦接至电网；所述LCL滤波器对所述逆变器传输的交流电 压进行滤波后，传输至电网； (2) 根据给定的直流母线电压ud。，并网电流的基波有效值Ig，并网电压的基波有效值Ug， 电网基波角频率ω，逆变器并网功率P计算出所述LCL滤波器的最大的逆变器侧滤波电感值 Limax：(3) 确定所述LCL滤波器的逆变器输出侧电感U: Li ^ Limax 同时满足 ^ \ UC ./\ 1 / (4) 计算出所述LCL滤波器的滤波电容Cf: Cf = 1/ ω 2Li (5) 确定所述LCL滤波器的谐振频率fres: 为了避免LCL滤波器的谐振频率位于低频或高频段，影响电流控制器的设计，LCL滤波 器的谐振频率应该大于10倍的电网频率fg，且小于开关频率fs的一半，即l〇fg〈f res〈fs/2; (6) 确定所述LCL滤波器的电网侧滤波电感Lg:2. 根据权利要求1所述的一种单相并网逆变器LCL滤波器设计方法，其特征在于:在步 骤(1)中在所述LCL滤波器电容支路串联一个阻尼电阻，阻尼电阻一般取值为所述滤波电容 Cf容抗的1/3。
【专利摘要】本发明涉及并网逆变控制领域，具体涉及一种单相并网逆变器LCL滤波器设计方法。该方法是基于在不升高直流母线电压的前提下，在逆变器结构及调制方式确定的基础上，仅利用直流母线电压和并网电流即可以得到全部的LCL滤波器设计参数，即逆变器输出侧电感Li、电网侧电感Lg和滤波电容Cf，及谐振频率fres，完成LCL滤波器参数的设计。该LCL滤波器不仅能有效抑制开关频率处以及高次谐波，满足滤波性能的要求，而且能够降低并网逆变器直流母线电压的限制，实现较低直流母线电压下的逆变器并网运行；同时设计方法直观实效，计算简便，省去了反复试凑、迭代的步骤，简单快捷。
【IPC分类】H02M1/12, G06F17/50
【公开号】CN105720805
【申请号】CN201610176231
【发明人】杨艺云, 高立克, 张阁, 肖静, 肖园园, 梁朔, 郭敏
【申请人】广西电网有限责任公司电力科学研究院
【公开日】2016年6月29日
【申请日】2016年5月20日