逆变系统直流支撑电容器的应用
1、引言
在现代电力电子行业中，整流以及逆变电源系统得到了长足的发展。而在此电源系统中，直流支撑电容器的作用是防止因负载的突变造成直流母线以及电容器本身的寄生电感产生感生电动势而导致直流母线电压大幅度突变。本文主要介绍金属化薄膜直流支撑电容器本身的杂散电感的减小方案以及产品内部电流分布方案的探讨。目的是最终使得DC-Link 电容器产品具有较低的发热损耗以及比较均匀的温度分布。
2、原理简述
直流支撑电容器(即DC-Link 电容器)在电力系统中的典型应用电路如图1 所示，图中Ls 为系统连线的寄生电感。
图1
在此应用场合中，可以视IGBT 逆变器为整流电路的负载，此开关器件负载具有突变电流，而根据公式(1)可知V=L×di/dt-----------------------(1)突变电流在电感的作用下，将会产生一个感生电动势，当电路以及电容器产品本身杂散电感影响下，此感生电动势可能会达到数十甚至成上千伏，如此之高的突变电压将会对系统造成严重干扰，甚至损坏系统。而直流支撑电容器的作用就是利用电容器电压不能突变及电容器容抗随频率的升高而降低的特性，在一个很宽的频带范围内为系统提供低阻抗通道，从而降低直流母线的交流阻抗。根据公式(2)
式中ω=2πf，ESL 为杂散电感，ESR 为等效串联电阻。
输出滤波器的计算 一、滤波器选择的部分指标 （1）逆变电源的空载损耗是逆变电源的重要指标之一。空载损耗与空载时滤波器的输入电流有关，电流越大，损耗越大，原因有以下两个方面：一方面，滤波器的输入电流越大，逆变开关器件上的电流越大，逆变器的损耗就越大；另一方面，空载时滤波器的输入电流也流过电抗器及电容器，电流增大也会使电抗器及电容器的损耗增大。所以从限制空载电流的角度来讲，空载时滤波器的输入电流不能太大。一般的，空载时滤波器的输入基波电流不能超过逆变电源的额定输出电流的30%。 设I m 表示空载时输入滤波器的输入基波电流的有效值，U 0表示输出电压基波的有效值，Wo 为基波角 频率， 则由图1可得： 00Im CU ω= （1） 有上式可知，空载时滤波器输入基波电流的大小与C 成正比。所以从限制逆变电源空载损耗的角度来讲，LC 滤波器的电容之不能太大。 （2）逆变电源对非线性负载的适应性指标 逆变电源对非线性负载的适应性是衡量逆变电源性能优劣的重要指标。非线性负载之所以会引起逆变电源输出电压波形的畸变，是因为非线性负载时一种谐波电流源，它产生的谐波电流在逆变电源输出阻抗上产生谐波压降，从而引起输出电压波形畸变。可见逆变电源的输出阻抗直接关系着逆变电源对非线性负载的适应性，输出阻抗越小，逆变电源的输出阻抗直接关系着逆变电源对非线性负载的适应性，输出阻抗越小，逆变电源对非线性负载适应性越好。 开环时逆变电源的输出阻抗就是LC 滤波器的输出阻抗，根据公式LC L Z 201ωω?= （2）
在L 、C 乘积恒定时，L 越小，则输出阻抗值越小。 当逆变电源采用电容电流及电压瞬时值反馈控制方案时，可以得到和开环时相同的结论。 综上说述可以得到以下两点结论： 1）在L 、C 之积恒定时，L 越小，逆变电源的输出阻抗越小，逆变电源对非线性负载的适应性越好； 2）L 越小，越不容易出现过调制，逆变电源对非线性负载的适应性越好。、 （3）在采用同步调制控制方式的逆变电源中，频率为（2ωs -ω0）的谐波是逆变器输出PWM 波中复制最高的谐波，它对输出电压的波形影响最大。输出电压中，只要频率为（2ωs -ω0）的谐波符合要求，则其他高次谐波含量均能符合要求。所以在这种情况下设计LC 滤波器是，只需考虑滤波器对（2ωs -ω0）频率谐波的衰减。 二、输出LC 滤波器的计算 2.1综述 一般说来，空载与负载相比，空载时电压中的频率（2ωs -ω0）的谐波含量是最大的，根据公式： )(*)1(1*2)2(1222200απββπωωJ N Q N b HF s ++=? （3） 式中C L R Q L //=；00/)2(ωωω?=s N ；LC 20ωβ=；E U b /20=；2 2)1(/ββα?+=Q b ；)(1απJ 为1阶的Besset 函数，计算比较繁琐。 空载时，)2(00ωω?s HF 可表示为： )(*11*2)2(1 200απβπωωJ N b HF s ?=? （4） 式中：00/)2(ωωω?=s N ；LC 20ωβ=；E U b /20=；βα?=1b 。 对式（4）进行分析，可得空载时)2(00ωω?s HF 的特性如下： a ，当逆变电源输入电压增大时，输出电压中的频率为 )2(0ωω?s 的谐波的谐波含量将增大。
《直流输电原理》题库 一、填空题 1.直流输电工程的系统可分为两端（或端对端）直流输电系统和多端直流输电系统两大类。 2.两端直流输电系统的构成主要有整流站、逆变站和直流输电线路三部分。 3.两端直流输电系统可分为单极系统、双极系统和背靠背直流输电系统三种类型。 4.单极系统的接线方式有单极大地回线方式和单极金属回线方式两种。 5.双极系统的接线方式可分为双极两端中性点接地接线方式、双极一端中性点接地接线方 式和双极金属中线接线方式三种类型。 6.背靠背直流系统是输电线路长度为零的两端直流输电系统。 7.直流输电不存在交流输电的稳定性问题，有利于远距离大容量送电。 8.目前工程上所采用的基本换流单元有6脉动换流单元和12脉动换流单元两种。 9.12脉动换流器由两个交流侧电压相位差30°的6脉动换流器所组成。 10.6脉动换流器在交流侧和直流侧分别产生6K±1次和6K次特征谐波。12脉动换流器在 交流侧和直流侧分别产生12K±1次和12K次特征谐波。 11.为了得到换流变压器阀侧绕组的电压相位差30°，其阀侧绕组的接线方式必须一个为 星形接线，另一个为三角形接线。 12.中国第一项直流输电工程是舟山直流输电工程。 13.整流器α角可能的工作范围是0＜α＜90°，α角的最小值为5°。 14.α＜90°时,直流输出电压为正值,换流器工作在整流工况; α=90°时, 直流输出电为 零,称为零功率工况; α＞90°时,直流输出电压为负值,换流器则工作在逆变工况。15.直流输电控制系统的六个等级是:换流阀控制级、单独控制级、换流器控制级、极控制 级、双极控制级和系统控制级。 16.换流器触发相位控制有等触发角控制和等相位间隔控制两种控制方式。 17.直流输电的换流器是采用一个或多个三相桥式换流电路（也称6脉动换流器）串联构 成。其中，6脉动换流器的直流电压，在一个工频周期内有6段正弦波电压，每段60°。
光伏并网逆变器中滤波器的设计与研究 摘要：光伏发电系统中存在着大量的非线性器件和负载，其对电网带来严重的谐波污染。为了有效地抑制谐波污染，本文提出了一种新的无源滤波器的结构设计，并且建立了一个交直交变流器与无源滤波器的Simulink 仿真模型。通过比较接入无源滤波器前后电流和电压的变化，对电流和电压波形进行傅里叶变换，得到它的频谱分析曲线。仿真结果表明：该滤波器的设计方法具有可行性和有效性，能够很好地抑制光伏逆变器DC/AC 变换后谐波分量，并且满足当前电力系统的要求。 关键词：光伏逆变器；无源滤波器；傅立叶变换 0 引言光伏发电系统中存在着大量的非线性器件和负载，其对电网带来严重的谐波污染。为了有效地提高电能质量，洁净电网，电网谐波治理问题已经愈来愈引起国内外学者和专家关注[1]。 滤波器具有消除谐波和提供无功补偿的功能，在治理谐波的问题上处于重要的位置。传统的滤波器分为有源滤波器和无源滤波器。有源滤波器存在着高成本、功能单一等缺点的限制，同时光伏发电系统受阳光、温度等不确定因素的影 响比较大，使得光伏阵列的直流母线利用率较低[2] 。无源滤波
器因其结构简单、设备投资少、运行可靠性高、运行费用低等优点，成为电力系统中最普遍的谐波抑制设备[3] 。在交流系统中，无源滤波器不仅可以起到滤波作用，而且还可以兼顾无功补偿的需求。因此它成为传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。 本文提出了一种新的无源电力滤波器，理论分析了该无源滤波器的可行性。利用Simulink 搭建系统仿真模型，同时采集滤波前和滤波后的电压、电流量，分别对其进行傅立叶变换，得到相应的频谱分析曲线。仿真结果表明，该无源滤波器能够很好地抑制光伏逆变器DC/AC 变换后谐波分量。 1无源滤波器的结构设计 无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联[4]。本文中无源滤波器是通过电感、电容和电阻一系列的串并联来达到滤波的效果，其结构简图如图 1 所示。 图 1 中所示的U、V、W 分别代表光伏逆变器输出的三相交流电。由于这其中含有很高的高频分量，因此我们通过必须接入三相无源滤波器，滤去当中的谐波分量来满足电力系统的要求。其中，电感L10和L20是含有电阻性的电感，L1 是纯电感，串联在电网当中的电感L1 主要是滤去电网中 电压的谐波分量。无源滤波器作为低通滤波器，频率高于其谐振
逆变电源滤波电容的大小计算 11-06-19 01:19 逆变电源滤波电容的大小计算电感的阻抗与频率成正比,电容的阻抗与频率成反比.所以,电感可以阻扼高频通过,电容可以阻扼低频通过.二者适当组合,就可过滤各种频率信号.如在整流电路中,将电容并在负载上或将电感串联在负载上,可滤去交流纹波.。电容滤波属电压滤波，是直接储存脉动电压来平滑输出电压，输出电压高，接近交流电压峰值；适用于小电流，电流越小滤波效果越好。 电感滤波属电流滤波，是靠通过电流产生电磁感应来平滑输出电流，输出电压低，低于交流电压有效值；适用于大电流，电流越大滤波效果越好。电容和电感的很多特性是恰恰相反的。 一般情况下，电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号，其频率也分为了好几个数量级。因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电容(这里的高频是相对而言)。 低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50Hz；而高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。当我们将低频滤波电容用于高频电路时，由于低频滤波电容高频特性不好，它在高频充放电时内阻较大，等效电感较高。因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量。而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。 电源滤波电容的大小，平时做设计，前级用4.7u,用于滤低频，二级用0.1u，用于滤高频，4.7uF的电容作用是减小输出脉动和低频干扰，0.1uF的电容应该是减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰。一般前面那个越大越好，两个电容值相差大概100倍左右。电源滤波，开关电源，要看你的ESR(电容的等效串联电阻)有多大，而高频电容的选择最好在其自谐振频率上。大电容是防止浪涌，机理就好比大水库防洪能力更强一样；小电容滤高频干扰，任何器件都可以等效成一个电阻、电感、电容的串并联电路，也就有了自谐振，只有在这个自谐振频率上，等效电阻最小，所以滤波最好！ 电容的等效模型为一电感Ｌ，一电阻Ｒ和电容Ｃ的串联，
第31卷第12期中国电机工程学报V ol.31 No.12 Apr.25, 2011 34 2011年4月25日Proceedings of the CSEE ?2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2011) 12-0034-06 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科分类号：470?40 带LCL输出滤波器的并网逆变器控制策略研究 王要强，吴凤江，孙力，段建东 (哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江省哈尔滨市 150001) Control Strategy for Grid-connected Inverter With an LCL Output Filter WANG Yaoqiang, WU Fengjiang, SUN Li, DUAN Jiandong (Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China) ABSTRACT: The grid-connected inverter with LCL output filter is a third-order and multi-variable system, claiming a higher demands to the control system design. Aiming at this, a grid-connected inverter control strategy based on inverter-side current closed-loop and capacitor current feed-forward was proposed, controling the grid-side current indirectly through the inverter-side current. With the proposed control strategy, system stability and unity power factor are ensured, at the same time, no additional sensors are needed, making equipment costs reduced and reliability enhanced. Effectiveness and feasibility of the proposed strategy are validated by both the simulation and experiment results. KEY WORDS: grid-connected inverter; LCL filter; system stability; power factor; current estimation 摘要：并网逆变器用LCL输出滤波器是一个三阶多变量系统，给控制系统设计提出了更高的要求。针对该问题，提出一种基于逆变器侧电流闭环和电容电流前馈的并网逆变器控制策略，通过逆变器侧电流间接控制并网电流。该控制策略能够保证系统稳定和单位功率因数运行，并且整个控制过程无需增加额外的传感器，降低了系统成本，增强了系统可靠性。仿真和实验结果验证了提出控制策略的有效性与可行性。 关键词：并网逆变器；LCL滤波器；系统稳定性；功率因数；电流估计 0 引言 随着能源和环境问题的日益严峻，风力发电、光伏发电等新能源并网发电技术越来越受到人们的重视，已经成为能源可持续发展战略的重要组成部分[1-3]。并网逆变器作为发电系统与电网连接的核心装置，直接影响到整个并网发电系统的性能，近年来逐渐成为国内外研究的热点[4-6]。 基金项目：国家自然科学基金项目(50477009)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50477009). 并网逆变器传统上采用L滤波器来抑制并网电流中由功率器件通断引入的高次谐波[7-11]，然而，随着逆变器功率等级的提高，特别是在中高功率应用场合，为降低功率器件的应力和损耗，一般选取较低的开关频率，致使网侧电流中的谐波含量增加。要使并网电流满足同样的谐波标准将需要一个较大的电感值。电感值的增加不仅会使网侧电流变化率下降，系统动态性能降低，还会带来体积过大、成本过高等一系列问题。针对上述问题，用LCL 滤波器代替L滤波器成为近年来相当有吸引力的解决方案[12-16]。LCL滤波器的阻抗值与流过的电流频率成反比，频率越高，阻抗越小，因此对电流高次谐波有更强的抑制能力。为此，在相同的谐波标准下LCL滤波器的应用可以降低总的电感取值，在大中功率应用场合，其优势尤为明显。但是，LCL滤波器是一个三阶多变量系统，给控制系统设计提出了更高的要求。如果直接采用典型的并网电流闭环的控制策略，系统是不稳定，的且不利于功率开关的保护[17]。文献[13]忽略滤波电容支路的影响，认为网侧电流和逆变器侧电流近似相等，采取逆变器侧电流闭环的控制策略，该策略易于系统稳定，且可以更为有效地保护功率开关，但电容支路的分流作用会使得系统功率因数降低。文献[16]提出采用逆变器侧电流和网侧电流加权平均值闭环的控制策略，系统稳定且在一定程度上提高了系统功率因数，然而加权平均电流和并网电流之间仍有相角差，并未彻底解决功率因数降低的问题。 本文提出一种基于逆变器侧电流闭环和电容电流前馈的并网逆变器控制策略，利用逆变器侧电流间接控制并网电流。电容电流通过估算获得，减少了电流传感器的数量，节约了系统成本，增强了系统可靠性。最后，通过仿真和实验对提出的控制
柔性直流输电系统的改进型相对控制策略 摘要：电压源换流器(VSC)中交流滤波器可滤除交流网络侧谐波，交流侧换流电 抗器或换流变压器有助于交流网络和VSC的能量交换，直流侧电容器可减小换流 桥切换时的冲击电流，同时也可滤除直流网络侧谐波。 关键词：柔性直流输电；控制策略；应用 前言 在柔性直流输电系统(VSC－HVDC)中电压源换流器采用全控型可关断器件，可实现对交流无源网络供电，同时对有功功率、无功功率进行控制。笔者采用外环 电压控制和内环电流控制，外环电压控制中送端VSC系统采用相对控制策略，通 过分别控制输出电压相对发电机端电压的相位角和幅值，进而控制其与送端系统 交换的有功功率和无功功率。受端VSC系统采用定交流电压和定直流电压控制方法，通过调制比和移相角信号产生器件的驱动脉冲，内环控制采用空间矢量控制 策略，PI控制器实现对d、q轴电流的解耦控制，运用PSCAD/EMTDC暂态仿真软 件建立相应的内外环控制模型，验证所设计控制方案的有效性和可靠性。 1柔性直流输电技术的概述 1.1柔性直流输电技术概念 柔性直流输电技术是由加拿大的科学家开发出来的。这是一种由电压源换流器、自关断器和脉宽调制器所共同构成的直流输电技术。作为一种新型的输电技术，该技术不仅可以向无源网络进行供电，还不会在供电的过程中出现换相失败 的现象。在实际使用的过程中，换相站之间不会直接依赖于多端直流系统进行运作。柔性直流输电技术属于一类新型的直流输电技术。虽然在结构上和高压输电 技术相类似。但是整体结构仍然是由换流站和直流输电线路构成的。 1.2柔性直流输电的特点 柔性直流输电是由高压直流输电改造而来的。应该说在技术性和经济性方面 都有很大的改善。具体来说，柔性直流输电技术内部的特点可以表现为如下几个 方面： （1）在运用柔性直流输电技术的过程中，如果能够有效地采用模块化设计的技术，其生产和安装调试的周期都会最大限度地缩短。与换流站有关的设备都能 够在安装和使用的过程中完成各项试验。 （2）柔性直流输电技术内部的VSC换流器是以无源逆变的方式存在的。在使用的过程中可以向容量较小的系统或者不含旋转机电的系统内部进行供电。 （3）柔性直流输电技术在使用的过程中都伴随有有功潮流和无功潮流 （4）整个柔性直流输电系统可以有效地实现自动调节。换流器不需要经常实现通信联络。这也就在很大程度上减少了投资、运行和维护的费用。 （5）整个柔性直流输电技术内部的VSC换流器可以有效地减弱产生的谐波，并减少大家对功率的要求。一般情况下，只需要在交流母线上先安装一组高质量 的滤波器，就可以有效地满足谐波的要求。目前，多数无功补偿装置内部的容量 也不断地减少。即便不装换流变压器，内部的开关也可以更好地被简化。 2柔性直流输电技术的战略意义 目前，柔性直流输电技术在智能电网中一直都发挥着重要的作用。一般来说，柔性直流输电技术可以有效地助力于城市电网的增容改造和交流系统内的互联措施。目前，多数柔性直流输电技术也在大规模风电场建设的过程中发挥出了较好 的技术优势。如果大面积地选择柔性直流输电技术，将会在很大程度上改变电网
1滤波特性分析 输出滤波方式通常可分为：L 型、LC 型和 LCL 型， 滤波方式的特点比较如下： (1)中的单 L 型滤波器为一阶环节，其结构简单，可以比较灵活地选择控制器且设计相对容易，并网控制策略不是很复杂，并网容易实现，是并网逆变器常用的滤波方式。缺点在于其滤波能力有限，比较依赖于控制器的性能。 (2)中的LC 型滤波器为二阶环节， C 的引入可以兼顾逆变器独立、并网双模式运行的要求，有利于光伏系统功能的多样化。然而，滤波电容电流会对并网电流造成一定影响。 (3)中的LCL 型滤波器在高频谐波抑制方面更具优势，在相同高频电流滤波效果下，其所需总电感值较小。但因为其为三阶环节，在系统中引入了谐振峰，必须引入适当的阻尼来削减谐振峰，这就导致了其控制策略复杂，系统稳定性容易受到影响。当三相光伏逆变器独立运行时，一般均采用 LC 型滤波方式。
并网逆变器的滤波器要在输出的低频段（工频 50Hz）时要尽量少的衰减，而要尽量衰减输出的高频段（主要是各次谐波）。 采用伯德图来分析各种滤波器的频域响应。[1] 一般并网逆变器滤波部分的电感为毫亨级，电容为微法级，这里电感值取 1m H,电容取 100u F，电感中的电阻取 0.02Ω，在研究LCL滤波器时，取电感值为 L1=L2=0.5m H，电阻 R1=R2=0.01Ω。 对于单电感滤波器，以输入电压和输出电流为变量，并且实际的电感中含有一定电阻，其传递函数为： 对于采用 LC 滤波器的并网逆变器，在并网运行时，电网电压直接加在滤波器中的电容两端，因此此时电容不起滤波作用，可以看作是一个负载，从滤波效果上来说，它等同于单电感滤波器。并且对于被控量选取为电感电流IL 的采用 LC滤波的并网逆变器，由于有电容的作用，其控制电流IL与实际输出电流Io 之间有如下图所示：
GENERAL TECHNICAL CHARACTERISTICS Reference standards : IEC 61071-60068 Dielectric : Polypropylene film Construction : Dry construction, filled by solid resin, Non-inductive type Case : Aluminium case ELECTRICAL CHARACTERISTICS Operating temperature range(case) : - 40 to + 85 ℃ Capacitance : 270 μF Rated Voltage : 700 Vdc Tolerance : ± 10% Dissipation factor: ≤2.0×10-3 Measured at 1000 Hz and 25℃ Life expectancy : 100,000 hours at Un and 70℃ TEST METHODS AND PERFORMANCES Test voltage between terminals : 1.5xUn for 10s at 25 ℃ Test voltage terminal to case : 3 KV 50Hz for 2sec Insulation resistance (C*Ri) : ≥ 5000 s DESIGN Stud mounting Out put Stud mounting Case F Torque P S Torque D=60 M5×8 2.5 N.M Max 28.6 M12×16 8.0 N.M Max Output
高手教你如何计算逆变器输出滤波电感 在全桥的逆变器当中，滤波电感是非常重要的一种元件，电感值的确定将直接影响到电路的工作性能。本篇文章将为大家介绍一种逆变器当中滤波电感的计算方法以及 所用材料。想要确定逆变器当中的滤波电感值，我们首先需要确定电感的LC值，而后在此基础上来进行设计。 一般来说，逆变滤波电感使用Iron Powder材料，或High Flux、Dura Flux材料，Ferrite也可以。一般应保证其铁损与铜损 有一个比例，如0.2~0.4，之所以不用0.5（此时效率最高），是因为散热的问题。对于上图所示的半桥逆变电路，由于其输出为正弦波，按照电路原理，其在输出过零点时，SPWM波的占空比最高（0.5，不计死区时间），此时电感上的dB最高，ripple电流也最大，为：Ippmax=Vi/（4fL）（1）f为SPWM波频率，L为滤波电感量。相应 的B值为：Bpkmax=10e8*Vi/（8fAN）（2）A为磁芯截面，N为匝数，单位为厘米克秒制，磁密单位为Gauss。将（1）式代入（2），可得：Bpkmax=10e8IppL/（2AN）（3）当输出电压瞬时值不为零时，可经由Bus电压减输出电压而得出L上的电压，再按照占空比的频率可得每一个SPWM周期的Bpk，其与输出电压的关系如下：Vo/Vi 在图中最高比例为0.5，这只对输出峰值等于Bus电压的情
况。在实际使用中，如果需要更高的输出精度，Bus还会降低，比值相应变小。同时也可以看出，输出电压越高，磁密变化越低。上图可以帮助我们理想磁芯内的磁密变化，却并不利于直接计算损耗。下图给出了在不同输出电压峰值的情况下，平均损耗与最大损耗在不同材料下的比值。当然，损耗最大发生在输出为零的情况。在实际设计时，只需知道输出电压峰值及Bus电压大小。按式（2）或（3）再经由Steinmetz公式Pmax=k*Bpkmax*n*f*m就可知Pmax，从而可知Pave，也就是您所设计电感的铁损。至于铜损，相信再简单不过了，按输出电流有效值乘L的DC 电阻就可以了。ripple就不必考虑了，太麻烦。如果频率够高，有涡流的话，再乘一个系数。倒是温度系数不得不考虑。下面给出一些材料的n值，方便查找曲线：Micrometals 其它材料，厂商都有提供n值，或者其它类似参数，到时再算一下。还有一点，通过控制理论和上述方法算出的最优解未必符合，自已取舍了。本文主要给出了全桥逆变器当中滤波电感的计算方法，并对滤波电感的材质的选择进行了建议，对新手设计者来说有着很大的帮助。希望大家在看过本篇文章之后，能学会逆变器当中滤波电感的计算方法，从而为自己的设计打下坚实的基础。
支撑电容的设计选型及分析 1. 支撑电容的设计选型 图1 地铁牵引系统主电路原理示意图 辅助逆变器（简称SIV ）中支撑电容的应用见图1，支撑电容器C 作为一个能量缓冲器，对直流电路的电压进行滤波，并保持其相对的稳定。其主要功能如下： a ） 与电感L 形成LC ，对输入端的电压剑锋进行滤除。 b ） 为斩波模块的提供瞬变电流 支撑电容器主要技术参数包括直流额定电压NDC U 、额定电流N I （有效值，连续）、电容值、电感值、耐压、损耗角、工作温度。耐压与工作温度由牵引变流器系统应用条件可确定；电感值与损耗角由电容器本身的结构决定。因此对支撑电容器的选型而言，主要是确定其额定工作电流及工作电压。 支撑电容器容量越大对直流回路的纹波电压抑制能力越强，但过大将增加系统的成本与体积，同时还会带来一些负面影响，如变流器开关桥臂短路时故障的危险程度也增大，因此支撑电容器的取值得控制在合适的范围之内。 1.1 额定电压的选择： 支撑电容额定电压是指直流标称电压，是设计电容时，考虑连续运行状态所采用的但不能改变方向的任一极性的最高工作峰值电压。 电容器的损耗与其电压平方成正比，过电压会使电容器发热严重，电容器绝缘会老化，寿命缩短。所以电容器的工作电压一般低于电容器本身的标称电压，对于机车环境中使用的电力电子电容器的工作电压是电容器标称电压的80%-90%。系统的额定电压为1500V ，系统的最高电压为1800V ，因此该支撑电容额定工作电压选择2000V 。 1.2 额定电流的选择： 按将DC600~1800V 斩波降压到600V 计算。斩波频率f 取1.5kHz ，T=667uS 。 1800V 升压到600V 模式，ton=600/1800T=0.3333T=222uS
1滤波特性分析 输出滤波方式通常可分为:L 型、LＣ型和 LＣL 型, 滤波方式的特点比较如下： (1)中的单Ｌ型滤波器为一阶环节，其结构简单,可以比较灵活地选择控制器且设计相对容易，并网控制策略不是很复杂,并网容易实现,是并网逆变器常用的滤波方式。缺点在于其滤波能力有限,比较依赖于控制器的性能。 (2)中的 LＣ型滤波器为二阶环节， C 的引入可以兼顾逆变器独立、并网双模式运行的要求,有利于光伏系统功能的多样化。然而,滤波电容电流会对并网电流造成一定影响。 (３）中的 LＣＬ型滤波器在高频谐波抑制方面更具优势,在相同高频电流滤波效果下,其所需总电感值较小。但因为其为三阶环节，在系统中引入了谐振峰,必须引入适当的阻尼来削减谐振峰，这就导致了其控制策略复杂,系统稳定性容易受到影响。当三相光伏逆变器独立运行时，一般均采用 LＣ型滤波方式。 并网逆变器的滤波器要在输出的低频段(工频 5０Hｚ）时要尽量少的衰减，而要尽量衰减输出的高频段（主要是各次谐波)。 采用伯德图来分析各种滤波器的频域响应。[1] 一般并网逆变器滤波部分的电感为毫亨级,电容为微法级,这里电感值取 1m H,电容取 100u F,电感中的电阻取０.0２Ω,在研究ＬＣL滤波器时,取电感值为 L1=L2=0.5m H,电阻Ｒ1=Ｒ2=0.01Ω。
对于单电感滤波器,以输入电压和输出电流为变量,并且实际的电感中含有一定电阻,其传递函数为： 对于采用LＣ滤波器的并网逆变器，在并网运行时,电网电压直接加在滤波器中的电容两端,因此此时电容不起滤波作用，可以看作是一个负载，从滤波效果上来说,它等同于单电感滤波器。并且对于被控量选取为电感电流IL 的采用 LC滤波的并网逆变器，由于有电容的作用，其控制电流IL与实际输出电流Ｉo 之间有如下图所示： 上式中可以看出，电感电流LI 将受到电网电压gU 的变化与并网电流0I 的影响。所以在控制过程中要参照电网电压的有效值不断调整基准给定的幅值与相位。 对于 LＣL 滤波电路,逆变器输出电流与输入电压之间的传递函数可以表示为:
逆变器滤波器参数设置 Revised by Chen Zhen in 2021
1滤波特性分析 输出滤波方式通常可分为：L 型、LC 型和 LCL 型， 滤波方式的特点比较如下： (1)中的单 L 型滤波器为一阶环节，其结构简单，可以比较灵活地选择控制器且设计相对容易，并网控制策略不是很复杂，并网容易实现，是并网逆变器常用的滤波方式。缺点在于其滤波能力有限，比较依赖于控制器的性能。 (2)中的 LC 型滤波器为二阶环节， C 的引入可以兼顾逆变器独立、并网双模式运行的要求，有利于光伏系统功能的多样化。然而，滤波电容电流会对并网电流造成一定影响。 (3)中的 LCL 型滤波器在高频谐波抑制方面更具优势，在相同高频电流滤波效果下，其所需总电感值较小。但因为其为三阶环节，在系统中引入了谐振峰，必须引入适当的阻尼来削减谐振峰，这就导致了其控制策略复杂，系统稳定性容易受到影响。当三相光伏逆变器独立运行时，一般均采用 LC 型滤波方式。 并网逆变器的滤波器要在输出的低频段（工频 50Hz）时要尽量少的衰减，而要尽量衰减输出的高频段（主要是各次谐波）。 采用伯德图来分析各种滤波器的频域响应。[1] 一般并网逆变器滤波部分的电感为毫亨级，电容为微法级，这里电感值取 1m H,电容取 100u F，电感中的电阻取Ω，在研究 LCL滤波器时，取电感值为 L1=L2= H，电阻 R1=R2=Ω。
对于单电感滤波器，以输入电压和输出电流为变量，并且实际的电感中含有一定电阻，其传递函数为： 对于采用 LC 滤波器的并网逆变器，在并网运行时，电网电压直接加在滤波器中的电容两端，因此此时电容不起滤波作用，可以看作是一个负载，从滤波效果上来说，它等同于单电感滤波器。并且对于被控量选取为电感电流IL 的采用 LC滤波的并网逆变器，由于有电容的作用，其控制电流IL与实际输出电流Io 之间有如下图所示：上式中可以看出，电感电流LI 将受到电网电压gU 的变化与并网电流0I 的影响。所以在控制过程中要参照电网电压的有效值不断调整基准给定的幅值与相位。 对于 LCL 滤波电路，逆变器输出电流与输入电压之间的传递函数可以表示为： 对比可知,可以很清楚的看到，在低频时，单 L 型滤波器与 LCL 型滤波器的频域响应相同，都是以 20d B/dec 的斜率进行衰减。但在高频部分，单 L型滤波器仍然以 20d B/dec 进行衰减，但 LCL 型滤波器以 60d B/dec 的斜率进行衰减，表明相对于单 L 型滤波器，LCL 型滤波器能够更好地对高频谐波进行衰减。将式中的 s 用 jω代入后可以看出，低频时两式分母中含有ω的项都很小，特别是ω的高次方项，可以忽略不计。因此在低频时，表达式中主要起作用的是电阻部分。而随着ω的不断上升，两式分母中含有ω的项不断增大，特别是含有ω的高次方项，因此在高频段，其主要作用的是分母中含有ω的 3 次方项。因此在高频段，LCL 滤波器是以 60d B/dec 的斜率进行衰减。对单 L 型、LC 型及 LCL 型滤波器进行比较。 在低频时，三者的滤波效果相同，并且在并网运行时 LC 型滤波器中的电容只相当于负载，不起滤波作用。而 LCL 型滤波器对高频谐波的滤波效果要优于单 L 型与 LC 型滤波器。
替代电解电容的薄膜电容技术 DC-Link电容器应用 在过去多年的发展中，使用金属化膜以及膜上金属分割技术的DC滤波电容得到了长足的发展，现在薄膜生产商开发出更薄的膜，同时改进了金属化的分割技术极大的帮助了这种电容的发展，聚丙烯薄膜电容能够比电解电容更加经济地覆盖600VDC 到2200VDC的电压范围。薄膜电容具有的许多优势，使它替代电解电容成为工业和电力电子功率变换市场的趋势。 这些优点包括了： 承受高的有效电流的能力 能承受两倍于额定电压的过压 能承受反向电压 承受高峰值电流的能力 长寿命，可长时间存储 但是，只种替代并非“微法对微法”的替代，而是功能上的替代. 当然，尽管膜电容技术有了长足的进展，但不是所有的应用领域都能替代电解电容。 电解电容技术 典型的电解电容的最大标称电压为500 到600V。所以在要求更高电压的情况下，使用者必须将多只电容串联使用。同时，由于各电容的绝缘电阻不同，使用者必须在每个电容上连接电阻以平衡电压。 此外，如果超过额定电压1.5倍的反向电压被加在电容上时，会引起电容内部化学反应的发生。如果这种电压持续足够长的时间，电容会发生爆炸，或者随着电容内部压力的释放电解液会流出。为了避免这种危险，使用者必须给每个电容并联一个二极管。在特定应用中电容的抗浪涌能力也是考察电容的重要指标。实际上，对电解电容而言，允许承受的最大浪涌电压是VnDC的1.15或1.2倍（更好的电解电容）。这种情况迫使使用者不得不考虑浪涌电压而非标称电压。 直流支撑滤波：高电流设计和电容值设计 a) 使用电池供电的情况 应用为电车或电叉车 在这种情况下，电容被用来退耦。膜电容特别适合这种应用。因为直流支撑电容的主要标准是有效值电流的承受能力。这意味着直流支撑电容能够以有效值电流来设计 以电车为例，要求的数据 工作电压: 120VDC 允许的纹波电压: 4V RMS 有效值电流: 80 A RMS @ 20 kHz 最小容值为
柔性直流输电 一、常规直流输电技术 1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。 2. 常规直流输电技术的优点。 1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。 2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。 3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。 3. 常规直流电路技术的缺点。常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。 1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。 2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。 3）无功消耗大。输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。 二、柔性直流输电技术 1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于
1.整流器部分工作原理 整流部分的结构是三相桥式电路，如图1所示。 图1 整流器电路图 e a 、e b 、e c 为等值交流系统的工频基波正弦相电动势， 图2 整流侧电压波形 （a ）为m 、n 点对中性点的电位，（b ）为直流侧电压u d ，（c ）为触发脉冲。 图（a ）中C1为自然换向点，角度α为延迟触发角，即晶闸管开始导通的角度；μ为叠弧角（换向角），即电流从一相换到另一相的时间。定义熄弧延迟角为δ， δ=α+μ。 理想直流侧空载电压为α π cos 2 3V r 0E r d = （1）
换向引起的压降可用等值换向电阻R cr 代替，可以计算出直流侧电压平均值为 d cr r d d cr dr I I E R -cos V R -cos 2 3V 0r ααπ == （2） 图3 整流侧外特性 随α增大，直流侧电压减小。 2.逆变器部分工作原理 图4 逆变器电路图 逆变器和整流器的原理接线图相同，根据式（1） α π cos 2 3V r 0E r d = ，若延迟触 发角α为90°时，cos α=0直流侧电压为0，当α>90°时，直流侧电压为负值，变流器做逆变运行，为方便起见，定义β=180°-α，为超前触发角。 设逆变侧直流空载电压为V d0i ,则 i i 02 3V E d π = （3），考虑换向角μ的存在，用 R ci 作为逆变侧等值换向电阻，作为逆变侧换向引起的压降，则直流侧电压为
d ci i d d ci d ci d ci di I I E I E I E R - cos V R - cos 2 3 - R -) 180 ( cos 2 3 - R - cos 2 3 V i i i β β π α π α π - = = - ? = = （4）定义超前熄弧角（也叫关断角）为γ，γ=π-δ=π-α-μ=β-μ。 3.控制原理 直流输电的接线原理简图： 图5 直流输电原理简图 直流输电等效电路图： 图6 直流输电等效电路图 其中α为整流器延迟触发角；β为逆变器的超前触发角；γ为逆变器熄弧角；V d0r和V d0i分别为整流侧和逆变侧的无相控理想空载直流电压；R cr和R ci分别为整流和逆变侧的等值换相电阻，等效了换向损失的电压，但不是真正意义的电阻，不消耗有功功率。R L为直流线路电阻。换向压降是由于变压器漏感产生的。
第28卷第18期中国电机工程学报V ol.28 No.18 Jun. 25, 2008 36 2008年6月25日 Proceedings of the CSEE ?2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2008) 18-0036-06 中图分类号：TM 46 文献标识码：A 学科分类号：470?40 LCL滤波并网逆变器的分裂电容法电流控制 沈国桥，徐德鸿 (浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027) Current Control for Grid-connected Inverters by Splitting the Capacitor of LCL Filter SHEN Guo-qiao, XU De-hong (College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China) ABSTRACT: A novel control strategy is proposed based on a new current feedback for grid-connected voltage source inverters (VSI) with an LCL-filter. The strategy “split” the capacitor of LCL-filter into two parts, and the current flowing between these two parts is measured and used as the feedback of a current regulator to stabilize and improve the system performances. By this way, the inverter control system is simplified from third-order to first-order, and the close loop control system can easily be optimized for minimum steady-state error and current harmonic distortion. The characteristics of the inverter system with the proposed controller are investigated and compared with the traditional strategy. The new current control strategy has been experimentally tested on a 5kVA fuel cell inverter. KEY WORDS: grid-connected inverter; current control; interconnection; LCL Filter; harmonics 摘要：针对LCL滤波的并网逆变器电流控制时存在系统稳定性和稳态误差与谐波失真等问题，提出一种新的电流反馈控制技术。新的控制策略将LCL滤波器的电容按特定比例分成并联的前后2部分，通过测量中间电流并作为反馈信号控制逆变器输出，从而使受控系统的特性从三阶系统转换为一阶系统，控制性能得以改善，便于实现稳定误差和电流谐波失真的减小。给出该控制策略的理论依据和实现方法，分析比较了新方法与传统控制方法的特性差异。通过对5 kV A 燃料电池逆变并网发电电源的试验验证了该控制策略。 关键词：并网逆变器；电流控制；并网；LCL滤波器；谐波0 引言 随着新能源发电技术，如风力发电、光伏发电和燃料电池发电等越来越受到人们的重视，对并网发电逆变技术的关注也日益增加。逆变器在并网运行时，采用电流控制方式，注入电网的电流谐波是一项重要的指标。IEEE Std 929-2000标准要求总谐波失真小于5%，3、5、7、9次谐波小于4%，11~15次小于2%，35次以上小于0.3%。 为抑制开关频率输出电流谐波，LCL滤波器在电压源PWM控制并网逆变器中成为首选，因为它与单电感L滤波器相比，对电流高频分量具有更强的抑制能力[1-2]，但LCL滤波器具有三阶系统特性，更易引起输出振荡，因而，对逆变系统电流控制的设计提出了更高的要求。 滞环PWM电流控制的问题在于其开关频率、损耗和控制精度受滞环宽度的影响[3-5]。传统的比例积分调节(PI)固定频率PWM控制存在输出电流的稳态误差较大，电流谐波难以抑制的缺点。引入电网电压前馈控制有利于减小输出电流稳定误差[6-7]，但无法有效地抑制谐波。基于同步旋转坐标系的PI 调节控制可以使输出电流的基波稳态误差为零[8-9]，但不易应用在单相逆变系统控制中，而且需增加多个坐标系实现多次谐波的抑制，使系统控制复杂化。重复控制也还存在动态响应差的缺点[10-11]。比例加谐振控制(PR)通过比例谐振环节增加了特定频率的电流控制回路增益，以抑制基波误差或谐波分量；但多谐波抑制需增加比例谐振环节数量，易受频率漂移影响，并受到控制系统带宽的限制[12-15]。 本文针对LCL滤波并网逆变系统电流控制时的稳态误差和谐波抑制问题，提出了一种新的控制技术，给出了该控制策略的理论依据和实现方法，分析比较了新方法与传统控制方法的特性差异。最后，通过对5kV A燃料电池逆变并网发电电源的试验验证了该控制策略的有效性。 1 系统结构模型 图1为一个燃料电池并网逆变电源的结构，包括直流变换器、单相PWM逆变器、LCL低通滤波器和电流调节控制器等。其中逆变器为采用