第43卷第11期2009年11月
电力电子技术
Power Electronics
Vol.43No.11November ，2009
定稿日期：2009-05-04
作者简介：杜少武（1965-），男，安徽肥东人，教授，研究方向为
特种电源技术。
杜少武，赵
钦，张
胜
（合肥工业大学，安徽合肥230009）
摘要：太阳能并网逆变器使用的IGBT 工作在高速开关状态，形成了很大的d u /d t 和d i /d t 。由于杂散电容、电感的存 在，使得电路中形成大量的谐波，并网时严重干扰了电网。基于逆变器的电路模型，针对三相光伏逆变系统，分析了谐波产生机理，通过对无源LCL 滤波器性能的分析及其参数优化，降低了电感量，改善了系统的动态性能，有效地衰减了该系统产生的高次谐波。通过Matlab 仿真，验证了该设计的有效性。 关键词：滤波器；逆变器；谐波；抑制中图分类号：TM713
文献标识码：A
文章编号：1000-100X （2009）11-0016-02
Design of LCL Filter for Grid -connected Photovoltaic Inverter
DU Shao -wu ，ZHAO Qin ，ZHANG Sheng
（Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China ）
Abstract ：The pulse width modulated （PWM ）inverter used in grid -connected photovoltaic inverter can generate harmonics to interfere the power networks.Based on the inverter module and three -phase inverter system ，the mechanism of harmonics generation is analyzed.With the performance analysis of passive LCL filter and parameters optimization ，the inductance is
decreased and the dynamic performance is improved ，the harmonics can be restrained efficiently.The validity of proposed filter is supported by the simulation results in Matlab.
Keywords ：filter ；inverter ；harmonics ；restraint
1引言
近年来，随着能源的日益枯竭，分布式电源得到
快速发展。
由于该电源提供的是直流电，因此在并网时，需要通过DC/AC 逆变器实现电能的转换，
逆变输出的交流电经简单的L 或LC 滤波器与电网相连。电压变换器因其成熟的技术广泛应用于此。变流器中存在大量的非线性元件，特别是静止变流器以开 电压波形畸变，使高次谐波显著增加。然而采用L 滤波器时，为了减小电流纹波，不得不增加L ，导致滤波器体积增大；采用LC 滤波器，虽然结构和参数选取简单，但无法抑制输出电流中的高频纹波，容易因电网阻抗的不确定性影响滤波效果。三相LCL 滤波器因其高效的滤
波效果受到广泛重视[1]。由于滤波器潜在的要求，
使其参数的选择对滤波器的性能影响很大。主要分析三相太阳能并网中交流输出侧LCL 滤波器的设计，通过时域仿真证明该滤波器的优越性能。
2谐波的产生及危害
在太阳能发电中，太阳能电池产生的是直流电
压。为达到并网目的，采用DC/AC 变流模块，使变流器输出与电网电压同频同相的电流。基于PWM 理论的变流器通过输出不同占空比的脉冲波，来控制开关管的通断，产生正弦信号。这种开关工作方式，
会引起电网电流、电压波形畸变，高次谐波显著增加，从而形成大量的谐波干扰。对PWM 输出信号进行傅里叶变换，可以得到各谐波的表达式。
谐波使公用电网元件产生附加损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率，影响各种电气设备的正常工作，使继电保护和自动装置出现误动作，而高
次谐波可能引起继电器过电压、
绝缘损坏、机械振动等。电力电子设备在多种场合是产生谐波的源，但其自身也很容易受谐波干扰而误动作。一般来说，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更大，在平衡的三相系
统中，由于PWM 波的对称性，
偶次谐波已被消除，因此只有奇次谐波存在于电路中。
3LCL 滤波器的设计
在设计LCL 滤波器时，参数的选择直接影响滤波器的性能。在设计滤波器时主要考虑：①滤波器体积的大小主要由滤波电感的磁芯决定，在选择电感参数及磁芯时要多方面衡量。国内外大量研究资料表明，增大滤波电容C 的容量可有效减小滤波电感量，从而减小滤波器的体积；②控制输出电流纹波的大小，使其满足设计要求；③滤波器的谐振频率和其动态特性。根据三相逆变器的电路模型，设计了如图1所示的LCL 滤波器模型。图2示出LCL 在单相滤波电路中的模型，基于该模型，得到单相中滤波器的传递函数：
H LCL （j ω）=I 2（j ω）U （j ω）=-j ω（-ω2L 1L 2C +L 1+L 2）
（1）式中：u 为干扰信号；ω为待滤除干扰信号的频率。正弦波滤波器
16
由式（1）
可得幅频关系为：H LCL （j ω）=1
ω
L 1
+ωL 2-ω2
L 1L 2/[1/（ωC ）]
（2）
3.1电流纹波
在开关变换器中，纹波的大小取决于电路中谐
波电流。X 1/X 2越大，纹波电流越小，而较大的X 1/X 2又会使X 1+X 2增大。X C 减小会导致X 1中电流纹波的增加[2]。由以上分析可知，X C 与X 1+X 2之间是对立关
系，减小X C 可以减小滤波电感的体积，
却使电流纹波增加。另外，由于X C 的减小使得无功功率增加，造成系统效率降低，一般情况下，电容的无功功率被限制在系统功率的15%以内，电容C 的计算式为：
C ≤15%P 3×2πfU 2
（3）式中：f 为基波频率，f =50Hz ；P 为输出功率。
在选择参数时，要根据实际需要进行取舍。大量
资料表明，当5<X 1/X 2<10且2<X C <5时，
可以使纹波和滤波电感的体积达到折中值。因此在进行滤波器参数设计时使相关参数满足此条件。3.2
滤波电感L
在一定的直流母线电压和交流输出电压条件下，L 越大，则输出电流的纹波越小，但L 中电流变化率也会变小，导致电流的跟踪能力减弱，同时使成本增加。选择L 首先要考虑基波在电感上的压降，一般为输出额定电压的3%～5%；其次，要使谐波电流的有效值约为逆变器电流容量10%～20%，否则逆变器可能由于谐波电流过大而进入保护状态；最后，考虑待滤除的干扰谐波频率的衰减倍数指标，可由滤波器的传递函数求得。根据式（4）
计算L 的大小：L ≥U dc 4f sw △i
（4）
式中：U dc 为直流侧电压；f sw 为开关管频率；△i 为纹波电流。
3.3抑制谐振的阻尼振荡
由于L 和C 的存在会使LCL 滤波器发生谐振，
PWM 逆变器可视为谐波发生器。
逆变器产生的某次谐波电流可能会对滤波器的谐振产生激励，导致该次谐波幅值突然增大，使逆变器的输出电流发生振荡。为抑制高次谐波，避免输出电流畸变，一般取谐
振频率为基波频率的10～25倍。因此，在设计滤波器
的参数时要考虑参数对频带和谐振频率的影响，滤波器的谐振频率为：
ωres =
L 1+L 2L 1L 2姨=ωX 1+X 2X C
X 1X 2
姨
（5）
C 值减小会使谐振频率升高。为了抑制谐振，
可以在C 支路上串联或并联一电阻元件[3]，如图3所示。
虽然该方法抑制谐振很有效，但会带来能量损
耗，降低系统效率，因此不适合在大功率系统中应用。
系统函数为：
G （s ）=I 2（s ）U in （s ）=sC 1R +1s [s 2
L 1L 2C 1+（L 1+L 2）（sC 1R +1）]
（6）文献[4]中提出了基于虚拟电阻思想的新型有源
阻尼控制策略；文献[5]中提出了“
超前-滞后”的有源阻尼控制策略。这两种方法可使滤波器在不增加损
耗的基础上有效抑制谐振，改善电流波形。
但它们在参数选择和实际运用方面比较复杂，在此不作讨论。3.4系统仿真与实验分析
根据上述LCL 滤波器设计方法，对其进行
Matlab 仿真，母线电压500V ，f sw =9kHz ，
输出三相交流电220V/50Hz/6kVA 。由于开关管工作在10kHz 频率下，输出电流很容易受到10kHz 频率及其谐波信号的干扰。因此，假设使10kHz 的干扰信号衰减-20dB 。取X C =2，ω=2π×104，
则可得C =7.9×10-6F ，取X L 1=6X L 2，则由式（2）可得L 1=3.7×10-3H ，L 2=6.4×10-4H ；由式（5）
可得ωres =767Hz 。由单纯的L 滤波器传递函数可知，要使10kHz 干扰信号衰减-20dB ，则
需要L ≈5×10-3H ，
使L 的体积大大增加。图4为三相逆变输出的滤波前后的电流波形。可见，
经过LCL 滤波后，干扰信号明显被衰减，输出电流畸变明显减小。
对滤波前后输出电流信号进行傅里叶分析，结
果如图5所示。可见，该滤波器对高频信号衰减具有良好的性能。为一台6kVA 的三相逆变器设计了LC
L 滤波器，采用基本的空间矢量调制策略，IGBT 模块为FS35R12KT3；采用56F8036型DSP 作为主控芯片；U dc =500V ，输出单相电流10A ，频率为50Hz 。图6示出系统滤波前、后电流的实验波形，实验结果验证了设计的合理性。
图3抑制谐振电路
4结论
分析了太阳能光伏并网中LCL 滤波器的参数
设计，根据输出电流的要求、干扰信号的频率范围、谐振频率以及电感尺寸等来确定滤波器的参数。由
分析和仿真结果证明了LCL 滤波器的优越性。LCL 滤波器造成的谐振以及其他不足之处，还需要在今后的研究中进一步改进。
参考文献
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on Industry Applications ，2005，41（5）：1281-1291.[2]H R Karshenas ，H Saghafi.Performance Investigation of LCL
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[3]张承慧，
叶颖，陈阿莲，等，基于输出电流控制的光伏并网逆变器电源[J].电工技术学报，2007，22（8）：41-45.
[4]张宪平，李亚西，林资旭，等.LCL 滤波的电压型PWM 整
流器的有源阻尼控制[J].电气传动，2007，37（11）：22-25.[5]Liserre M ，Dell Aquila A ，Blaabjerg F.Stability Improvements
of an LCL filter Based Three -phase Active Rectifier [A].
IEEE PESC 02[C].2002：1195-1201.
图5LCL 滤波前后输出电流傅里叶分析
图6
实验波形
另一类是在逆变器直流供电侧串联大电感，使直流电源近似为恒流源，该电路为电流型逆变电路。电路中串联的电感用以抑制直流电流的脉动，但输出特
性软。LCI 变频器主电路结构图如图3所示。
3.2电压型变频器与电流型变频器的特点与区别
（1）
直流回路的滤波环节电压型逆变器的直流滤波环节主要采用大电容，因此电源阻抗小，相当于电压源。电流型逆变器的直流滤波环节主要采用大电感，相当于恒流源。
（2）
输出波形电压型逆变器输出的电压波形是SPWM 高频矩形载波，其电流波形在感性负载时近似于正弦波，含有部分高次谐波分量，在输入端采用简易滤波装置，便可使输出波形的谐波含量满足国家的标准。电流型变频器输出的电流波形是一个交变矩形波，其输出的电压波形接近于正弦波，含有丰富的高次谐波分量，易使电机发热，一般使用时都要选用进口的特制电机。当输入谐波含量较高时，需采用巨大、笨重的滤波器，方能使用。
（3）
四象限运行由于在电流型逆变器直流供电侧串联大电感，在维持电流方向不变的情况下，晶闸管整流桥可以改变电压极性，因此很容易使逆变器运行在整流状态，从而使整流桥处于逆变状态，实现
四象限运行。电压型高压变频器只有二电平采用
IGBT 整流回馈，
可四象限运行。（4）
动态性能电流型逆变器有大电感，电流动态响应较慢，动态力矩跟不上，特性软；电压型逆变器采用电流反馈环控制，响应速度快，适应现代控制理论。在速度开环的条件下，可高速、高精度地控制电机的磁通力矩，使电机特性可柔、可刚，动态性能好。
（5）
过流及短路保护电流型逆变器因回路中串联大电感，能抑制短路等故障时电流的上升率，故容易实现过流和短路保护。一般的电压型逆变器实现过流和短路保护较为困难，只有二电平电压型高压变频器设有直流电感，可抑制d i /d t 的上升速率，易实现过流保护和短路保护。
（6）
对功率开关管的要求电压型逆变器中的功率开关管要求关断时间短，但耐压要求较低；而电流型逆变器中的开关管对关断时间无严格要求，但耐压要求相对较高。
综上所述，电流源型高压变频器是由功率器件直接串联并在线路中串联大电感构成的，但由于需要两个电感，使开关管截止时所承受的电压比电压
型高得多。
该方式虽然使用功率器件少、易于控制电流，但是未真正解决高功率压器件的串联问题。这是因为即使功率器件出现故障，由于大电感的限流作用，d i /d t 受到限制，
功率器件虽不易损坏，但会严重污染电网、
导致功率因数低，并且电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感，无法做成真
正的通用型产品。
就经济和技术而言，电压型高压变频器比电流型高压变频器具有更广泛的应用前景。图3LCI 变频器主电路结构图
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