光伏并网逆变器中滤波器的设计与研究

一种光伏逆变器的LCL滤波器设计LCL滤波器是一种常用于光伏逆变器中的电路元件，其主要作用是滤除输出电压中的高频波形以及高阶谐波，提高输出电压的纯度。

在设计LCL滤波器时，需要考虑滤波器的参数选择、电路拓扑、稳定性等多个方面。

1、滤波器参数选择LCL滤波器的参数选择是决定其性能的关键因素，主要包括电感值L、电容值C以及电阻值R。

为了提高滤波器的谐波阻抗，需要考虑L和C的大小，一般L的取值较小，而C 则较大。

同时，由于LCL滤波器具有一定的损耗，需要考虑R的取值，一般取数十欧姆至百欧姆之间。

2、LCL滤波器拓扑设计LCL滤波器的拓扑设计主要有串、并、星型等多种形式，其中串联LCL滤波器的形式较为常用。

在串联LCL滤波器中，一般由两个电感器和一个电容器构成，其中电感器之间需要设置一个串联阻抗来保证稳定性。

LCL滤波器的稳定性设计是指在设计过程中保证滤波器的稳定性和可靠性。

在设计过程中应考虑传输函数的稳定性和抖动问题，通过设计合适的零点和极点，来保证传输函数的稳定和可控性。

1、电感器L的选择电感器L的大小直接影响到LCL滤波器的谐波阻抗。

一般情况下，LCL滤波器需要滤除的频率范围为50~100Hz，因此在设计时电感器的取值一般在10~20mH之间。

电容器C的大小影响到LCL滤波器的谐波损耗，一般来说，C取值较大可以有效提高滤波效果，但同时会增加谐波损耗。

因此在实际设计时需要进行权衡考虑。

一般情况下，拓扑结构为串联的LCL滤波器中，C的大小可以取值为0.1~0.5uF之间。

电阻器R通常用于串联两个电感器之间，其作用是提高LCL滤波器的稳定性以及抑制电流谐波。

在实际设计中，电阻器的取值可以根据具体需求，取10~100欧姆之间。

串联式LCL滤波器实际上是由两个L序列与一个C序列组成，通过增加电阻器R的串联可以有效提高其谐波阻抗，降低纹波幅度。

1、传输函数的稳定性在光伏逆变器中，LCL滤波器的传输函数通常是一个高阶传输函数，其中存在多个零点和极点，其稳定性和抖动问题对系统的整体性能有很大的影响。

光伏并网逆变器LCL滤波器参数优化设计雒向东;崔剑波【摘要】针对光伏并网逆变器LCL滤波器的大纹波电流和高频谐波损耗问题,分析了电感之和、电感比值和滤波电容值、谐振频率以及入网电流之间的关系,提出了一种LCL滤波器参数最优设计方法.分析了LCL滤波器的传递特性并建立了谐波等效模型,研究了滤波参数对谐振频率以及并网电流的影响,根据LCL滤波器的设计约束条件和光伏并网逆变器实例设计了一组最优参数,并进行了仿真研究.结果表明,提出的优化方案不仅能够有效抑制开关频率的高频纹波,还能减小电感取值和阻尼损耗.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2016(038)006【总页数】5页(P601-605)【关键词】光伏并网逆变器;LCL滤波器;纹波;损耗;优化设计;谐波等效模型;约束条件【作者】雒向东;崔剑波【作者单位】兰州城市学院培黎工程技术学院,甘肃靖远730070;兰州城市学院培黎工程技术学院,甘肃靖远730070【正文语种】中文【中图分类】TM135随着能源危机的日益加剧，光伏发电作为一种资源丰富、无污染的可再生能源获取方式受到国内外学者的高度重视［1－2］.光伏并网逆变器是光伏阵列和电网的连接装置，可实现直流电与交流电的转换，其性能的好坏直接影响光伏发电并网系统的高效稳定运行，因此，对并网逆变器的深入研究具有实际意义［3－4］.并网逆变器由电力电子器件构成，其工作过程需采用高频脉宽调制（PWM），这样会产生大量的开关高频谐波，对电网带来较大干扰影响，因此，需要在并网逆变器输出侧串联无源滤波器来抑制高频谐波.应用于光伏并网逆变器的无源滤波器一般可以分为L型、LC型和LCL型三种［5－6］.其中单电感L滤波器结构简单，但抑制高频能力较差且体积大，不利于成本控制，影响系统动态性能；LC滤波器是二阶系统，很难消除输出电流的高频分量，由于其电网阻抗角是未知的，从而会降低滤波效果；LCL型滤波器则在高频段具有很好的滤波作用，只需较小的电感就能滤波输出电流的高频分量，并且能够在一定程度上抑制电网侧的冲击电流，因此，LCL滤波器对光伏并网逆变器并网的电流谐波具有更好的抑制性能［7－8］.然而LCL是三阶系统，滤波参数的影响不可忽视，它不仅影响闭环控制系统的运行特性，还会影响并网逆变器的输出功率，因此，获取良好的滤波器参数也是一项至关重要的工作.本文基于应用于光伏并网逆变器中的LCL拓扑结构，首先建立了LCL滤波器的谐波等效模型，分析了电流传输特性，其次分析了电感之和、电感之比和滤波电容对系统谐振频率和输出电流幅值的影响，最后根据LCL滤波器的设计约束条件和光伏并网逆变器并网性能要求实例，设计了一组最优参数并进行了仿真研究.图1是含LCL滤波器的光伏并网逆变器结构图，LCL滤波器是并网逆变器与电网的接口.图1中，Up为逆变器逆变桥侧输出电压，L1为逆变桥侧电感，L2为网侧电感，C为滤波电容，iL2为并网逆变器的入网电流.1.1 LCL滤波器滤波性能根据图1求出并网逆变器输出电流iL2到逆变桥侧输出电压Up的传递函数为令L＝L1＋L2，即采用相同电感量的单L滤波器输出，则电流iL2到逆变桥侧输出电压Up的传递函数为函数G1（s）和G2（s）的伯德图如图2所示，从图2中可以看出，LCL滤波器在高频段的衰减特性明显优于单电感L滤波器，所以在达到相同滤波效果的前提下，LCL滤波器的体积要小得多，损耗自然也小一些.1.2 LCL滤波器谐波等效模型在光伏并网发电系统中，并网逆变器的开关频率远远大于电网频率，逆变桥侧输出电压中除了基波分量之外，还含有大量开关频率及其倍数的高次谐波.将LCL滤波器电路分解为基波等效电路和高频谐波等效电路，其中谐波等效电路如图3所示. 根据图3可以求得并网电流iL2谐波含量与逆变桥侧输出谐波电压Uph的传递函数为式中，h为输出电压谐波.由图3可得逆变器侧电感L1的电流iL1表达式为式中，XL1、XL2、XC分别为L1、L2、C阻抗值.由式（4）可知，电流iL1的大小主要由逆变桥侧电感XL1、网侧电感XL2与滤波电容XC并联阻抗XL2／／XC共同决定.因为在高频段XL2／／XC的取值非常小，所以XL2、XC的并联接入对电流iL1的影响不是很大，电流iL1大小主要是由XL1决定，因此，整个并网逆变器输出电流的大小主要由逆变桥侧电感L1的大小决定.本文以某并网逆变器开关频率fc＝20 kHz的实例进行分析，则在逆变桥侧输出电压的主要谐波为h＝20 000 kHz／50 kHz＝400次的高频谐波.为了深入分析LCL滤波器各参数之间的相互影响特性，假设在的条件下，对L1／L2、L1＋L2、滤波电容C三者之间的关系进行了频域分析，关系曲线如图4所示.从图4中可以看出，在L1／L2不变的条件下，随着滤波电容C取值的不断增大，L1＋L2的取值将会减小，从而能够有效节省滤波电感的体积，减轻系统质量，且节省了成本.根据式（3）可求出LCL滤波器的谐振频率为当总电感量L1＋L2的取值为定值时，LCL滤波器固有的谐振频率ωres与L1／L2、滤波电容C的三维关系曲线如图5所示.从图5中可以看出，当保持滤波电容C的取值大小不变时，LCL滤波器的固有谐振频率随着L1／L2取值不断增大而呈现增加的趋势.而当保持L1／L2的取值固定不变时，LCL滤波器的谐振频率随着滤波电容C取值的增大而减小.当LCL滤波器的谐振频率较小时，会对系统的中低频信号进行放大而带来较大危害.假设总电感量 L1＋L2取值保持不变，在 h＝400，谐波电压为单位幅值条件下，根据式（3）可以求得iL2、L1／L2与滤波电容C的关系曲线如图6所示.从图6可以看出，当滤波电容C的取值保持不变时，L1／L2取1～2时iL2的取值最小，且会随着L1／L2取值的不断增大而呈现增大的趋势.综合考虑取L1／L2的值为1.5时，LCL滤波系统具有最佳的滤波效果.通过上文分析可知，逆变桥侧滤波电感的设计依赖于电感的纹波电流，一般情况下纹波电流取为额定并网电流的10%～20%［9］.本文选取纹波电流为额定电流的15%，即可得式中：P为并网发电系统额定功率；Eg为电网电压；η为发电效率.本文所采用的光伏逆变并网发电系统的参数分别为：电网额定电压220 V，光伏逆变发电系统额定功率 3 kW，直流侧电压500 V，发电效率为90%.将这些参数代入式（6）可得又已知当时，ΔIL1有最大值，即将代入式（9）可得因此，在实际电路中取 L1＝3mH.对于滤波电容 C的选取不仅要考虑上述分析的滤波参数影响特性，还要考虑其无功功率影响.滤波电容 C的取值越大，则产生的容性无功功率就越多，会引起电感L1具有较大的流通电流；若滤波电容 C取值较小，则要提升滤波效果就需要增加电感值，会增大滤波系统体积和成本.根据约束条件可知，滤波电容所消耗无功功率的大小一般要小于并网发电系统额定功率值的5%，则可得滤波电容可取值C＝10μF.又根据约束条件知：光伏并网逆变系统的输出电流35次及以上的谐波含量应低于0.3%，则电感 L2的取值应满足对LCL滤波器而言，其谐振频率应大于10倍的电网电压基波频率且小于主电路开关频率的一半［10］，则可得根据前面的分析可知，L1／L2取1.5为最佳，结合式（11）和式（12）计算可得出网侧电感的最优取值为L2＝2 mH.根据光伏并网发电系统实例，可优化求得LCL滤波器的各参数最佳取值，具体如表1所示.根据表1的参数搭建了单相光伏并网逆变器仿真模型，图7分别是单电感L、LC 和LCL滤波条件下的输出电压电流波形.从图7中可以看出，在保持相同滤波参数的条件下，采用LCL滤波的光伏并网逆变器输出电流具有更小的谐波和畸变，表明LCL滤波器能够有效抑制高频谐波，且在滤波效果相同时，LCL滤波器具有更小的体积和损耗.本文根据LCL滤波器的传递特性建立了其等效谐波模型，分析了滤波电感之和、滤波电感比值、滤波电容取值、谐振频率和并网电流之间的变化关系，得出了电感比值和电容值的合适取值范围.结合光伏并网逆变器的实际和约束条件，设计了一组最优参数并进行了仿真研究，仿真结果表明，该方案可提高并网电流质量，降低阻尼损耗，具有一定的实际应用价值.［1］李俊峰，王斯成，常瑜，等.中国光伏发展报告［M］.北京：中国环境科学出版社，2011：1－110.（LI Jun-feng，WANG Si-cheng，CHANG Yu，et al. China development report of PV［M］.Beijing：China Environmental Science Press，2011：1－110.）［2］熊燕，刘鑫，马胜红.中国城市规模化光伏发电应用条件分析［J］.可再生能源，2012，30（1）：123－126.（XIONG Yan，LIU Xin，MA Sheng-hong.Application condition analysis for scaled PV power generation in urban area of China［J］.Renewable Energy Resources，2012，30（1）：123－126.）［3］曾正，杨欢，赵荣祥，等.多功能并网逆变器研究综述［J］.电力自动化设备，2012，32（8）：5－15.（ZENG Zheng，YANG Huan，ZHAO Rong-xiang，et al.Overview of multi-functional grid-connected inverters［J］.Electric Power Automation Equipment，2012，32（8）：5－15.）［4］王湘明，张玮玮，王卫鑫.并网逆变器功率合成谐波阻抗联合控制策略［J］.沈阳工业大学学报，2016，38（2）：127－132.（WANG Xiang-ming，ZHANG Wei-wei，WANG bined control strategy of power and synthetic harmonic impedance for grid connected inverter［J］.Journal of Shenyang University of Technology，2016，38（2）：127－132.）［5］杨仁增，张光先.LCL并网滤波器的非线性阻尼控制［J］.电工技术学报，2015，30（24）：152－159.（YANG Ren-zeng，ZHANG Guang-xian.Nonlinear damping controller for grid-connected LCL filters［J］.Transaction of China Electrotechnical Society，2015，30（24）：152－159.）［6］邱燕.三相并网逆变器滤波及锁相技术研究［D］.南京：南京航空航天大学，2012：1－66.（QIU Yan.Research on filtering and phase lock method based on three phase grid-connected inverter［D］. 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光伏并网逆变器LCL滤波器的参数设计作者：马岩杨飞茹来源：《中国科技博览》2014年第36期[摘要]介绍三相SVPWM逆变器LCL滤波器的约束条件及参数的计算方法。

[关键词]并网逆变器 SVPWM LCL滤波器谐振频率中图分类号：V0551.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）36-0392-01随着全球范围内能源紧缺和安全问题的日益突出，可再生能源的利用引起广泛的重视。

大规模光伏并网发电是充分利用太阳能的一种有效方式，具有广阔的发展前景。

本文针对基于三相SVPWM调制的并网逆变器的LCL滤波器，提出了各项参数的约束条件和计算方法。

一、LCL滤波器的作用光伏逆变器是将直流电压经开关管动作，斩波为等效交流电压，而通过LCL滤波以后，形成正弦工频电流。

作为逆变桥和电网之间的桥接，通过它可以控制并网电流的幅值和相位，从而实现控制逆变器的功率输出，并且可以抑制输出电流的过分抖动和浪涌冲击。

二、LCL滤波器的原理LCL滤波器相对于LC滤波而言，增加了网侧电感L2，而使得其对L1电流I1的高频分量呈现高阻抗。

从而让I1中的高频分量通过低阻抗回路C释放。

这样有效减少了并网电流I2中的高频含量。

LCL滤波器具有比LC滤波更好的性能，能兼顾低频段增益和高频段衰减。

作为三阶系统，LCL滤波器需要确定两个电感和一个电容的值，增加了设计难度。

三、LCL滤波器的参数设计1.总电感量（L1+L2）的约束条件总电感量的约束上限，主要从最低启动电压下有功和无功的输出能力来考虑。

在考虑基频的情况下，可将LCL中的C暂不考虑，L1和L2合并计算。

通常情况下，我们首先要保证最低启动电压下可以输出额定有功电流，矢量图如图2所示。

其中US为电网电压、UL为电感压降、UI为逆变侧等效电压、IL为额定电感电流。

在这里我们设定的前提是在最低启动电压下输出额定有功电流，可以得到：但是我们所设计的逆变器往往需要应付各种工作情况。

一种光伏逆变器的LCL滤波器设计随着可再生能源的发展和应用，光伏逆变器作为太阳能发电系统中的核心设备，扮演着将太阳能光电转换成交流电的重要角色。

而光伏逆变器的LCL滤波器设计对于提高逆变器的性能和稳定性具有关键作用。

本文将探讨一种光伏逆变器的LCL滤波器设计，分析其设计原理以及优势所在。

LCL滤波器是一种电路滤波器，用于消除逆变器输出电压中的高次谐波，从而保护负载并降低电网对逆变器的干扰。

LCL滤波器由电感L、电容C和电感L组成，其特点是在抑制谐波的也具有一定的功率因数校正和电流谐波抑制能力。

在光伏逆变器中，LCL滤波器设计的主要目的是提高输出电压的波形质量，并保证逆变器的稳定性。

设计LCL滤波器需要考虑逆变器的额定功率，根据其输出特性确定LCL滤波器的参数值。

需要考虑电网的特性，不同的电网对LCL滤波器的要求也不同，因此在设计过程中需要充分考虑电网的特性，确保LCL滤波器设计符合电网接口的要求。

还需考虑LCL滤波器在工作过程中可能出现的谐波问题，并针对性地设计滤波器参数，以保证逆变器输出电压的波形质量。

在实际应用中，LCL滤波器设计需要综合考虑多个因素，包括逆变器的性能需求、电网的特性以及滤波器自身的稳定性和可靠性。

下面，我们将从这几个方面详细分析光伏逆变器LCL滤波器的设计。

LCL滤波器的稳定性和可靠性同样需要在设计过程中加以考虑。

在实际应用中，LCL滤波器可能会受到电网电压、负载变化以及外部干扰等因素的影响，因此在设计LCL滤波器时需要采用合适的控制策略以确保其稳定性和可靠性。

可以采用自适应控制策略、预测控制策略或者滑模控制策略，以提高LCL滤波器在工作过程中的稳定性和抗干扰能力。

在LCL滤波器的具体设计中，还需要考虑电感和电容的损耗等因素，确保滤波器在工作过程中能够稳定可靠地工作。

光伏逆变器的LCL滤波器设计需要综合考虑多个因素，并根据逆变器的性能需求、电网特性以及滤波器的稳定性和可靠性加以设计。

一种光伏逆变器的LCL滤波器设计【摘要】光伏逆变器中的LCL滤波器设计是一项重要研究课题。

本文通过介绍LCL滤波器的工作原理和参数设计方法，探讨了其在光伏逆变器中的应用及优缺点。

也探讨了逆变器的保护措施，以提高系统的稳定性和可靠性。

研究表明，光伏逆变器中LCL滤波器的设计对于降低电网污染和提高能源转换效率具有重要意义。

未来的研究方向将集中在进一步优化滤波器设计，提高系统的性能表现。

本文将为光伏逆变器中LCL滤波器的设计提供重要参考，促进相关领域的研究和发展。

【关键词】光伏逆变器，LCL滤波器，设计，工作原理，参数设计，保护措施，优缺点，应用，重要意义，未来研究方向，总结。

1. 引言1.1 背景介绍LCL滤波器由电感器、电容器和电阻器组成，可以有效抑制逆变器输出电流中的谐波，提高逆变器的工作效率和电能质量。

LCL滤波器的设计对于光伏逆变器的性能至关重要。

合理设计LCL滤波器的参数和选取适合的元器件，能够降低系统的损耗，提高系统的可靠性。

LCL滤波器的应用还能减少系统对谐波和互感干扰的敏感度。

深入研究光伏逆变器中LCL滤波器的设计方法和应用对于提高光伏发电系统的性能和稳定性具有重要意义。

本文将重点探讨LCL滤波器的工作原理、参数设计方法、逆变器的保护措施、优缺点以及在光伏逆变器中的具体应用，旨在为光伏发电系统的设计和应用提供指导和参考。

1.2 研究意义光伏逆变器中的LCL滤波器设计具有重要的研究意义，主要体现在以下几个方面：LCL滤波器的设计对于光伏逆变器的性能有直接影响。

LCL滤波器能够有效地减小逆变器输出电流中的谐波含量，提高逆变器的输出电压质量，降低电网对逆变器的干扰。

设计合理的LCL滤波器对于提高光伏逆变器的电能转换效率和稳定性至关重要。

LCL滤波器的设计对于光伏发电系统的运行安全性也具有重要意义。

逆变器在运行过程中会受到来自电网及电气设备本身的各种干扰，一旦逆变器出现故障可能会导致光伏发电系统的停运或损坏。

一种光伏逆变器的LCL滤波器设计光伏逆变器是将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电的设备。

在实际应用中，逆变器需要通过滤波器来减小输出电压中的谐波和滤除直流电流的成分。

而LCL滤波器因其性能优越，被广泛应用于光伏逆变器中。

本文将介绍一种光伏逆变器的LCL滤波器设计，从而达到改善逆变器输出电压波形质量的目的。

1. LCL滤波器原理及特点LCL滤波器由电感、电容和电阻构成，其原理是通过谐波电流在电感中产生电压，使得滤波器对谐波电流有较好的阻抗。

相比于其他滤波器，LCL滤波器具有以下特点：（1） LCL滤波器在高频谐波上具有较低的阻抗，能够有效滤除谐波电流，提高逆变器输出电压的谐波含量。

（3） LCL滤波器的参数设计较为复杂，需要考虑电网的特性、逆变器的工作频率、电容和电感的选择等多个因素。

2. LCL滤波器设计步骤（1）确定工作频率LCL滤波器的工作频率由逆变器的工作频率决定，一般为50Hz或60Hz。

在设计LCL滤波器时，需根据实际工作频率选取合适的电感和电容值。

（2）选择电感和电容值根据电网的特性和谐波分析结果，确定LCL滤波器的电感和电容值。

在选择电感时，需考虑电感的铁心损耗、铜损耗以及谐波电流的频率等因素；在选择电容时，需考虑电容的额定电压和谐波电压的峰值。

（3）确定阻尼电阻值LCL滤波器的阻尼电阻用于阻尼并消除并联谐波谐振。

其阻尼电阻值可根据逆变器输出功率和谐波分析结果计算得出，通常为几十欧姆到几百欧姆之间。

3. 实例分析以某光伏逆变器的设计为例，该逆变器的工作频率为50Hz，输出功率为100kW。

根据电网的谐波分析结果，需要设计一个LCL滤波器用于滤除5次谐波。

首先确定电感值，根据工作频率和输出功率计算得出电感的合适取值范围，然后根据电感的铁心损耗和铜损耗来确定最终的电感值。

最后确定阻尼电阻值，根据并联谐波谐振的特性和谐波分析结果计算出阻尼电阻的取值范围，并通过实验来确定最终的阻尼电阻值。