三电平并网逆变器拓扑中LCL滤波器的应用

随着能源枯竭和环境污染问题的曰益严峻，各国对绿色能源的渴求越来越紧迫，使得光伏并网系统得到了空前发展。并网逆变器作为连接电池板与电网的核心设备，不仅要完成直流到交流的电能转换，而且要满足各电网公司对并网电能质量提出的要求，其中对电流谐波分量及总谐波畸变率的规定相对严苛。然而，并网逆变器通常采用高频PWM的电流源控制，会导致并网电流中含有高次谐波。由于LCL滤波器较L滤波器对高频谐波有更好的衰减特性，因此在光伏并网系统中得到广泛应用。

原理与设计

LCL滤波三电平并网逆变器

图1为基于LCL滤波的二极管箝位型三电平并网逆变器拓扑结构。由于在桥臂相电压中含有3个电平，故可输出比传统两电平拓扑更平滑的线电压波形，从而在相同滤波电感量下可得到谐波含量更小的并网电流。在三电平并网逆变器拓扑中，逆变桥通过LCL滤波器连接到电网，使高频谐波分量衰减更快，进一步改善并网电流质量。

LCL滤波器有源阻尼控制

根据理论分析，可得网侧电流与逆变器桥臂电压函数关系的波特图见图2。LCL滤波器参数：Ls=1．5 mH，Lt=2 mH，C=25μF；L滤波器参数：L=3．5 mH。可见，LCL滤波器较L滤波器有更好的高频衰减特性，但却存在谐振问题，会使谐振点附近谐波含量增加，严重时将造成系统不稳定。

为了抑制LCL滤波器的谐振，在工程中通常给电容支路上串联或并联一定值的电阻，利用电阻的阻尼作用来稳定系统。这种方法简单可靠，不用改变算法，但由于阻尼电阻损耗的存在，会使系统效率有所下降。另一种方法是通过算法来抑制谐振的有源阻尼控制，如在控制闭环中采用虚拟电阻、超前滞后环节、双带通滤波器、电容支路电压高频分量、遗传算法、虚拟阻尼功率等方法亦可达到抑制效果，并且不会引起系统额外的损耗。由于虚拟电阻有源阻尼控制法物理意义明确，易于实现，因此得到了一些应用。

图3为在LCL滤波器电容支路串联电阻后，逆变器网侧等效结构框图，经变换后可以等效为图4所示结构，其中虚线框内为采用L滤波器逆变器网侧等效结构图。

 虚拟电阻有源阻尼控制的思想就是采用算法来模拟sRC部分，以实现与电容支路串入电阻相同的阻尼作用。图2中，LCL滤波器串入2 Ω和5 Ω电阻后，随着电阻的增加，虽然高频段的滤波衰减减慢，但对谐振点的抑制效果增强。图5为模拟电容支路串电阻的虚拟电阻有源阻尼环节，将其增加到系统电流内环中以抑制谐振。

相位补偿

LCL滤波型并网逆变器直接通过反馈网侧电流进行控制，属于不稳定系统，所以通常采用逆变器侧电流作为反馈量进行闭环控制以增加系统稳定性。但由于电容支路的存在，使网侧电流与电网电压存在相位差，并且相位差的大小会随着并网电流的不同有所改变，无法做到单位功率因数并网或可控功率因数运行。

图6为并网逆变器双闭环控制框图。这里将电容支路电流反馈到控制闭环来补偿该相位差，将电容支路瞬时功率q轴分量经低通滤波器作为控制系统无功电流给定进行相位补偿。

 实验

设计了基于TMS320F28335型DSP为控制器的10 kW三电平三相光伏并网逆变器实验装置。实验参数：网侧电压220 V，电网谐波10．5％，桥臂电感2 mH，网侧电感1．5 mH，滤波电容25μF，并网功率5．8 kW，开关频率2 250 Hz。下面对有源阻尼控制及相位补偿方法进行实验验证。

图7为未加入有源阻尼控制的网侧电压、电流波形。可见，电流波形发生明显谐振畸变，且电流幅值持续增加，最终发散导致过流保护。

图8a，b所示，加入2 Ω虚拟阻尼电阻后网侧电流波形有所改善，电流与电压存在电容支路引起的相位差，THD=14．1％。网侧电流的谐波含量主要集中在谐振点附近，以21次谐波含量最多，其含量为5．75％。图8c，d为加入5 Ω虚拟电阻并且增加相位补偿环节后的网侧电流实验波形。可见电流与电压同频同相，THD=4．47％。在谐振频率附近的21次谐波含量明显降为0．51％，说明虚拟阻尼电阻对抑制谐振有明显效果，且所采用的相位补偿方案也准确可行。

分析了LCL滤波并网逆变器网侧电流相位差的原因，提出一种反馈电容支路电流低频分量的相位补偿方案。对采用LCL滤波器的中点箝位三电平并网逆变器进行了实验，验证了串联型虚拟电阻算法在中点箝位拓扑中可代替阻尼电阻将谐振点附近的21次谐波含量降至0．51％，能有效抑制网侧电流谐振。