分散式電源並網逆變器新型濾波器的設計及實現

南京供電公司、徐州供電公司的研究人員張瑋亞、王紫鈺， 在2016年第11期《電氣技術》雜誌上撰文指出， 為了更好地解決分散式電源並網引起的高頻諧波污染問題， 本文在詳細分析SPWM調製型逆變器開關過程產生的諧波電壓的基礎上， 設計了一種適於濾除此類諧波電壓的新型濾波器——雙諧振濾波器。

與常用的LCL濾波器相比， 雙諧振濾波器有良好的高頻諧波衰減特性， 對電感的需求少， 大大降低了濾波器的成本和體積。 最後給出了雙諧振濾波器的實現方法及參數設計原則。 PSCAD模擬結果驗證了雙諧振濾波器的可行性和有效性。

分散式電源並網逆變器一般採用SPWM調製， 在運行過程中會向接入電網注入大量的高次諧波電流[1]。 這類諧波電流不僅會加速電氣設備的老化， 還會對電力通信傳輸和電氣量測量精度產生影響[2]， 因此必須在並網逆變器的輸出側加裝濾波器。 國內外對於並網逆變器注入電網的高頻諧波電流均有嚴格的要求， 基於IEEE Std. 519的規定：35次以上各次的諧波電流均要小於額定電流的0.3%[3]。

目前分散式電源並網逆變器多採用LCL濾波器[2]， 文獻[4]提出了一種簡易而實用的LCL濾波器參數設計方法。 此外， 對LCL濾波器的控制方法的研究也比較深入[4-6]。 然而為保證良好的濾波效果， LCL濾波器通常需要較大的濾波電感值， 導致LCL濾波器的體積大，

成本高， 無功損耗也很大。 因此設計一個在經濟性和濾波特性比LCL濾波器更好的輸出濾波器結構依然是一個值得研究的問題。

本文首先分析了採用SPWM調製的並網逆變器輸出的諧波電壓分佈情況， 指出採用LCL濾波器在濾除這類諧波電壓時的缺陷。 隨後提出了一種更適合削減這些諧波電壓含量的新型濾波器——雙諧振濾波器。 最後， 提出了抑制雙諧振濾波器中正諧振尖峰的策略以及雙諧振濾波器的參數設計原則。

結論

本文通過分析採用SPWM調製的並網逆變器的輸出諧波電壓分佈， 指出了目前常用的LCL濾波器在衰減這些諧波電壓時的缺陷， 提出了一種新型濾波器——雙諧振濾波器：

1）從硬體結構上看， 雙諧振濾波器是將LCL濾波器的電容回路替換為兩段並聯的LC串聯諧振支路，

利用這兩段支路分別濾除在fc附近和2fc附近的含量很大的諧波電壓， 通過逆變器側電感和網側電感的共同作用來保證其餘分散在2fc以上的高頻諧波電壓的衰減能力， 結構增加了一定的複雜性。

2）從成本和效果上看， 雙諧振濾波器和傳統的LCL濾波器相比， 在使用相同大小的電容的情況下， 雙諧振濾波器總電感的需求減少近一倍， 且濾波效果更好， 極大地降低了濾波器的成本和體積。

3）從控制方式上看， 雙諧振濾波器產生正諧振尖峰的原因與LCL濾波器諧振尖峰產生的原因類似：當L1C1支路L2C2支路並聯部分呈容性時（相當於LCL濾波器的電容支路）， 該並聯部分與Li和Lg的並聯電感諧振而產生的。

所以雙諧振濾波器的正諧振尖峰抑制可以參考LCL濾波器抑制諧振尖峰的方法來進行。

有源阻尼法是抑制LCL濾波器諧振尖峰的常用方法， 即採用電容電流內環， 並網電流外環的雙電流內環控制的電容電流內環法。 類比這種方法， 雙諧振濾波器控制過程可採用並聯電流和內環法， 其實現只需增加一組電流感測器來測量兩個LC串聯回路的電流之和。

因此， 雙諧振濾波器相比LCL濾波器， 在增加有限的硬體結構複雜度的前提下， 控制方法上幾乎沒有變化， 但是成本大大降低， 濾波效果顯著提高， 因而具有很高的工程實用價值。

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