1、本科毕业设计（论文）基于 LCL 滤波的并网逆变器的设计大学里仁学院毕业设计（论文）任务书学院： 电气工程学院 系级教学单位：电气工程及其自动化系 学号 *学生姓名专 业班 级 12 应电-5题目名称 基于 LCL 滤波的并网逆变器的设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ） ；工程技术实验研究型（ ） ；理论研究型（ ） ；计算机软件型（ ） ；综合型（ ）2.文管理类（ ） ；3.外语类（ ） ；4.艺术类（ ）题目类型 1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目题目来源 科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容查阅资料，了解三相并网逆变器的原理及数学模型并网控制策略的研究分析 L
2、CL 滤波器在电路中的应用并与单 L、LC 滤波器进行对比系统仿真研究完成毕业设计论文一篇系统图折合 A0 一张基本要求直流侧电压为 Udc=800V有功功率为 8000w总谐波畸变率 THD5%单位功率因数并网在设计解决方案中要针对社会、健康、安全、法律、环境及可持续发展的问题进行论证,给出具体的分析和评价参考资料LCL 滤波器的三相光伏逆变器双环控制策略 刘飞 殷进军 周彦 段善旭Vo1.42,No.9 电力电子技术 2008 年 9 月PWM 整流器及其控制 张兴 张嵩巍 机械工业出版社自查相关中、英文文献周 次 第 1 4 周 第 5 8 周 第 9 12 周 第 13 16 周 第
3、17 18 周应完成的内容查阅资料 原理分析及参数设计仿真及方案调整仿真、撰写论文论文撰写、答辩指导教师：*职称： 教授 15 年 12 月 30 日系级教学单位审批：*年 月 日摘要I摘要随着光伏发电系统的日益推广，并网逆变器成为光伏并网发电的一个必不可少的环节。如何提高系统动态性能、降低成本以及对其控制系统的研究成为该领域的焦点。本文首先对逆变器的数学模型进行了分析，分别建立了三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的三相并网逆变器数学模型。其次，对 L、LC 和 LCL 型滤波器各自的特点及性能进行了对比，采用 LCL 型滤波器进行滤波，分析了参数设计方法，给出了系统 LCL 滤
4、波器参数的设计步骤。对三相逆变器并网控制方案进行了设计，采用有源或无源阻尼控制方案能够降低谐振峰，提高系统稳定性。采用锁相环以及电流双环满足了并网控制要求。最后，在详细阐述各元件的取值原则与计算步骤的基础上，给出了各环节参数，进行了系统仿真验证，结果表明，根据该方案设计的控制器参数能够使三相并网逆变器安全、可靠运行且具有较快的动态响应速度。关键词：三相并网逆变器; LCL 滤波器; 锁相环; 有源阻尼 本科生毕业设计（论文）IIAbstractWith the increasing promotion of photovoltaic power generation systems, grid
5、 inverter become an indispensable link of photovoltaic (pv) grid power generation. How to improve the system dynamic performance, reduce costs and the research of its control system becomes the focus of the field.This article first analyses the mathematical model of the inverter, respectively establ
6、ished the three-phase static coordinate system, two-phase static coordinate system and two-phase rotating coordinate system of three-phase grid inverter mathematical model.Secondly, the type of L, LC and LCL filter characteristics and performance are compared, the LCL filter for filtering, parameter
7、 design method are analyzed, the design steps of LCL filter system parameters is given.The design scheme of three-phase inverter grid control, adopt active or passive damping control scheme can reduce the resonance peak, improve the system stability.Using phase-locked loop and current loop meet the
8、requirement of grid control.Finally, each component in detail the principles and calculation steps of the value based on the design example is given, and the design of the LCL filter simulation results show that, according to the design of the controller parameters can make three-phase inverter with
9、 safe, reliable operation and has a fast dynamic response speed.Keywords： three-phase grid-connected inverter; LCL filter; phase-locked loop; active damping III目 录摘要 .IAbstractII第 1 章 绪论 11.1 光伏发电的背景及意义 11.2 世界及我国的光伏发电产业 11.2.1 国外光伏发电的现状 .11.2.2 我国太阳能光伏发电的现状 .21.3 基于 LCL 滤波的 PWM 逆变器的控制策略 .21.4 本课题研究
10、的主要内容 4第 2 章 三相并网逆变器的原理及数学模型 52.1 谐波的定义及危害 .52.2 逆变器的工作原理 52.3 并网逆变器滤波器形式 62.4 基于 LCL 滤波器的三相并网逆变器数学模型 .72.5 本章小结 11第 3 章 LCL 滤波器的研究分析 .123.1 LCL 滤波器的谐波抑制方法 .123.2 LCL 滤波器性能指标 .123.2.1 逆变器侧电感纹波电流抑制 .123.2.2 电网侧电感和滤波电容高频抑制 .123.2.3 系统双端电感比例的影响 .133.2.4 电网电感的影响 .133.3 输出滤波器 LCL 的设计 .133.3.1 LCL 型滤波器的原理
11、 143.3.2 LCL 滤波器参数的设计 153.3.3 LCL 滤波器高频滤波性能 163.4 LCL 滤波器参数设计的约束条件 .173.5 LCL 滤波器参数计算 .173.6 本章小结 18第 4 章 并网逆变器控制方法的研究 194.1 三相并网逆变器系统控制框图 .194.2 逆变器的输出电流控制策略 20IV4.3 锁相环节的工作原理 224.4 基于无源阻尼的单电流环控制方案的设计 254.5 双闭环控制系统的设计 264.5.1 网侧电感电流外环控制器的设计 .264.5.2 电容电流内环控制器的设计 .274.6 本章小结 28第 5 章 系统参数设计及仿真验证 295.
12、1 系统参数计算 .295.2 仿真验证 .305.2.1 基于无源阻尼的单环控制仿真电路 .305.2.2 基于有源阻尼的双环控制仿真电路 .335.3 本章小结 .37结论 38参考文献 39致谢 41附录 1 开题报告 .42附录 2 中期报告 .55附录 3 英文翻译 .69附录 4 英文文献原文 .79第 1 章 绪论 1第 1 章 绪论1.1 光伏发电的背景及意义随着新能源发电在全世界范围内应用越来越广泛，并网发电技术也成为一个重要的研究方向 7。逆变器采用高频 PWM 调制下的电流源控制，从而导致进入电网的电流中含有大量高次谐波，一般会采用滤波器进行滤除，常用的滤波器为 L 型和
13、 LCL 型，目前一些研究文献表明 LCL 滤波器具有比和 L 型滤波器更理想的高频滤波效果。从而常被用于大功率、低开关频率的并网设备，同时基于 LCL 滤波器的控制技术也成为新的研究热点之一 1,6,16。1.2 世界及我国的光伏发电产业太阳能的转换利用方式有光-电转换、光-热转换和光-化学转换等三种方式。利用光生伏打效应原理制成的光伏电池,可将太阳的光能直接转换成电能加以利用,称为光-电转换,即光伏发电 19。1.2.1 国外光伏发电的现状 伴随着能源危机的发展，在各国政府的重视下，世界光伏发电产业在最近 10 年间也得到了蓬勃发展。首先，新型光伏电池不断出现，光伏电池的转换效率不断提高。
14、在提高光伏电池效率方面，单晶硅光伏电池的平均效率已达到 13%15%，实验室最高效率已达到 24.4%(澳大利亚新南威尔士大学)，多晶硅光伏电池的平均效率也有 12%l4%，实验室最高效率已达到 19.8%。光伏电池研究的不断发展为光伏产业的持续发展提供了良好的保障 14。其次，光伏电池的产量急剧增加，新兴的光伏组件生成大国不断出现。世界光伏电池的生产规模由 20 世纪 80 年代的 1-5MW/年发展到 2001-2005 年 50-100MW/年。在最近 10年中，世界光伏电池的生产能力平均年增长率为 22%，从 1991 年的 55MW 增加到 2001年的 400MW，2003 年达到
15、 742MW，到 2004 年更是增长到 1200MW，最近 5 年的年平均增长率高达 35%以上。光伏电池制造业的快速发展又进一步推动了光伏电池研究的发展，两者相互推动，进一步促进了世界光伏产业的发展 19。最后，近年来世界各国纷纷出台一系列的支持政策，大力推广以光伏发电为代表的可再生能源项目的实施，进一步推动了光伏发电产业的发展。在 1997 年 12 月日本京都会议以后，美国总统随即宣布了百万光伏屋顶计划，预期在 10 年内在美国国内安装总容量约燕山大学本科生毕业设计 (论文)2为 3GW 的光伏电池。同时，以加州为代表的美国各州对光伏应用的补贴政策成为了美国光伏市场持续增长的主要动力。
16、在日本，政府提出了朝日 7 年光伏屋顶计划，并提出了新能源推广的基本原则，目标到 2010 年实现光伏发电容量超过 5GW。目前，日本的光伏电力已经逐渐具备了不需要依靠政府补贴的市场竞争力，而政府的投入则主要转移到研发和对一些示范项目的支持上面。在澳大利亚，政府要求电力公司供电中要有一定比例的光电、风电等新能源，并要求到 2010 年达 12.5%。在德国，政府提出了 10 万户光伏屋顶计划,并在 2004 年对其再生能源法律进行了修改和完善，保证了对光伏应用的新一轮补贴。之后，德国光伏发电市场就呈现井喷式的增长，并一跃成为超过日本的世界最大光伏市场。而德国西门子太阳能公司在慕尼黑贸易展览中心
17、建成了 1MW 的太阳能光伏屋顶系统，则成为大功率太阳能光伏并网发电系统的代表 8,15,19。根据新的世界能源统计资料表明，2004 年全球安装的太阳能发电系统容量已经超过 1000MW。在最近 5 年，太阳能发电产业的年均增长速度超过 30%，成为增长速度最快的新能源发电产业。1.2.2 我国太阳能光伏发电的现状在世界光伏发电产业迅速发展的同时，中国的光伏发电产业也正以每年 30%的速度得到快速发展。在光伏电池研究方面，我国光伏电池的研究获得重要进展，目前我国实验室光伏电池的效率已达 21%，可商业化光伏组件效率达 14%15%，一般商业化电池效率也已达到 10% 13%。在光伏电池生产制
18、造方面，国内光伏电池的年生产能力达到100MW，中国已成为继日本、德国和美国后世界第四大光伏组件制造国。与此同时，我国也积极兴建了大量光伏发电工程。例如投资达 750 万美元，发电总装机容量达到 1 兆瓦的深圳国际园林花卉博览园光伏并网发电系统已投入使用；首都博物馆 300kW 太阳能光伏并网发电系统也已经投入使用。国家体育场(鸟巢)工程投资 1000 万元，在“鸟巢” 的 12 个主通道上方，安装总装机容量为 130 千瓦的太阳能光伏发电系统。一项投资 l 亿元的兆瓦级光伏发电项目也将在上海交通大学风雨操场落成，并将成为亚洲最大的光伏发电站 19。1.3 基于 LCL 滤波的 PWM 逆变器
19、的控制策略目前基于 LCL 滤波器的 PWM 逆变器的较为新颖的控制策略有基于无源阻尼的直接电流控制策略、直接功率控制策略、无差拍控制策略和三闭环控制策略。（1）基于无源阻尼的直接电流控制策略 直接电流控制通过电流反馈闭环控制直接调节电流，具有动态响应快、受系统参数影响小等特点，是目前常用的电流控制方案，然而无论采用 P、PI 还是 PID 调节均无法使系第 1 章 绪论 3统稳定，并网逆变器 LCL 接口直接输出电流控制稳定性问题简单直接的解决方案是 LCL串联电阻形成无源阻尼 PD 衰减谐振峰值，增大相角裕度，提高系统稳定性 3。（2）基于有源阻尼的直接功率控制策略 由于动态响应快、原理简
20、单，近年来直接功率控制已被越来越多地应用于 PWM 整流器的控制。但是传统的直接功率控制策略没有电流内环，不能采用已有的有源阻尼方法。2005 年，J W Kolar， SPonnaluri,L ASerpa 和 PM Barbosa 提出了基于 LCL 滤波器的 PWM 整流器的直接功率控制策略，该方法设计了基于直接功率控制的有源阻尼方法来抑制 LCL 滤波器的谐振，这是一种基于虚拟磁链的直接功率控制。通过检测交流侧电流和直流侧电压来估算系统的虚拟磁链，从而算出系统的有功、无功功率，然后与给定值进行比较，偏差值送入开关状态选择表，产生控制脉冲。这种控制策略采用直接功率有源阻尼法，将有功、无功
21、功率减去阻尼分量后就可以避免谐振问题 9。（3）基于无源阻尼的无差拍控制策略1998 年，Michael Lindgren 和 Jan Svensson 提出了基于 LCL 滤波器的斩波器的无差拍控制。这是最早的基于 LCL 滤波器的控制策略。2004 年 EmilioJBueno，Felipe Espinosa 等人提出了改进的矢量无差拍控制策略。该控制策略只需要一组电流传感器和一组电压传感器，其他的量可以由状态观测器获得，系统的扰动可以用无源阻尼来衰减。改进的无差拍控制策略通过反馈电容电压将其引入到控制策略中，使控制效果更好 15。（4）基于三闭环的电网不平衡控制策略2003 年 Erik
22、aTwining 和 Donald Grahame Holmes 提出三闭环控制策略,这也是首次针对不平衡电网电压提出的控制策略。其中，电压外环用来控制直流侧电压。电流控制采用双内环的控制结构，第一内环是网侧电流内环，第二内环是电容电流内环。电压调节器的输出作为网侧电流有功分量的给定，dq 坐标系中网侧电流调节器输出经坐标变换后作为三相电容电流的给定，三相电容电流的反馈值由网侧电流与整流器交流侧电流合成。该方法需要两组电流传感器和一组电压传感器，传感器数量多是其缺点。但实验结果证明，该方法对于不平衡电网电压有较强的鲁棒性 5。基于 LCL 滤波器的三相 PWM 逆变器的控制策略的研究现状分析可
23、知，无差拍控制是研究较早的控制策略，控制策略的离散化便于数字化实现，但是无差拍控制需要的传感器较多，所以无传感器的研究成为研究重点。三闭环的控制策略是专门针对 LCL 滤波器提出的，这种控制策略对不平衡电网电压有较强的鲁棒性，但是其原理复杂，控制器较难设计；直接功率控制是近年来较为新颖的一种控制策略，它是从常规三相电压源型 PWM逆变器的控制中延伸而来，控制原理和结构简单，采用查表技术，也便于数字实现，但其燕山大学本科生毕业设计 (论文)4开关频率不固定给滤波器参数选择带来一定困难 3,5,9,15。今后基于 LCL 滤波器的 PWM 整流器无传感器控制、电网电压不平衡控制和便于数字实现的控制
24、将会成为研究的重点。1.4 本课题研究的主要内容随着对风能、太阳能等新能源的利用越来越多，逆变器的应用也越来越广泛，如何保证逆变器输出的电能质量成为研究的重点。在电网电压确定的情况下，如何减少输出电流纹波，提高电流的质量就成为主要的工作，传统的滤波方式是采用逆变器与电网之间串联电感，但在低开关频率的大功率逆变器中，所需的电感量将很大，这样既增大了设备体积，也增加了成本，为了采用较少的电感量，达到更好的滤波效果，本文研究了基于 LCL 滤波的三相并网逆变器，并与单电感滤波电路进行了比较，主要内容有以下几个方面。第一章介绍了三相并网逆变器的产生背景，基于 LCL 滤波的三相并网逆变器的研究现状。第
25、二章简要说明了三相逆变器的工作原理，并分析了 LCL 滤波器的数学模型，通过坐标变换将三相对称静止坐标系中的基波正弦变量转化成同步旋转坐标系中的直流变量，从而简化了控制系统设计。第三章对 LCL 滤波器的原理及性能进行了详细的分析，介绍了 LCL 滤波器的参数设计方法。第四章对基于无源阻尼和有源阻尼的两种控制策略进行了分析和控制系统的设计，完成了系统参数设计。最后对基于无源阻尼和基于有源阻尼两种控制策略进行了仿真，通过仿真实验对比分析，证明采用 LCL 滤波器的并网逆变器可以有效抑制输出电流中的谐波分量，获得较好的正弦电流波形；所采用的控制策略可以使系统具有较好的稳定性和动态性能。第 2 章
26、三相并网逆变器的原理及数学模型5第 2 章 三相并网逆变器的原理及数学模型2.1 谐波的定义及危害谐波，通常被认为某种特定频率的电压或电流流经非线性元件时，产生其他频率的电压或电流 4。在光伏并网发电中逆变器输出端，会携带有大量的谐波，而这些谐波会对电网及其用电的设备造成损害，导致设备老化加速，利用率降低，寿命缩短，甚至会出现故障和事故。谐波主要的危害有以下几点：（1）谐波会使系统中局部发生谐振，放大谐振的危害，使设备发热，造成的过电流或过电压甚至会烧毁设备，同时会降低发电设备的效率；（2）降低了供电的可靠性，谐波电流造成局部电流过大发热，噪声增大，使电气设备（如旋转电机、电容器、变压器等）运
27、行不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命，提高电力成本；（3）线路短路，使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量；（4）干扰通信的传输，导致传输设备无法正常收发信号。因此消除谐波刻不容缓，本章将对光伏逆变器输出滤波器详细分析，建立了基于 LCL逆变器的数学模型，并讨论了输出滤波器在不同坐标系下的数学模型。2.2 逆变器的工作原理三相逆变器通常采用三相桥式逆变电路，采用 IGBT 作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图 2-1 所示 12：d cNLR2dU2d1T35T4T62TNVW图 2-1 三相逆变电路原理图如图 2-1 所示的电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是 180导通
28、方式，即每个燕山大学本科生毕业设计 (论文)6桥臂的导通角为 180，同一相即同一半桥的上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度一次相差 120，这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通，因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。在上述 180导电的方式逆变器中，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起的直流电源的短路，要采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间，死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，
29、所留的死区时间就可以越短，这一“先断后通”的方法对于工作在上下桥臂通断互补方式下的其他电路也是适用的。2.3 并网逆变器滤波器形式在并网逆变器系统中,滤波器的不同也会使得电流环的动、静态响应不同,随之而带来的问题是并网系统直流电压、输出功率和系统功率等因素的确定受到制约,因此交流侧滤波器的设计这一环节举足轻重 10,12。常见的滤波器形式有 L、LC 和 LCL 三种，其形式如图 2-2 所示，应用场合也不尽相同。gL1gL2gLgLCC图 2-2 单 L、LC 和 LCL 滤波器单 L 滤波器为一阶滤波器，由于结构及控制简单，普遍应用于并网逆变的场合。然而，随着并网功率等级的不断增加，基于效
30、率和可靠性的考虑，并网逆变器的开关频率一般较低，为了使进网电流达到并网要求，电感值需要增大。这不仅是系统动态性能下降，还会引起成本和体质重量增加等一系列问题。LC 滤波器为二阶滤波器，较单 L 滤波器具有更好的滤波效果，且结构简单，大多数应用于独立逆变的场合。若使用在并网逆变器中，需要对电容电流进行补偿，否则将影响进网电流的功率因数。LCL 滤波器为三阶滤波器，滤波效果较前两种好，可以有效抑制进网电流的高次谐波，同时网侧电感还可以起到抑制冲击电流的作用。通常应用于中大功率逆变场合。然而 LCL滤波器本身是一个三阶系统，存在着谐振问题，若参数设计及控制策略不当，会导致系统的不稳定。因此在设计时不
31、仅要考虑滤除进网电流的高次谐波，还要避免系统发生谐振，第 2 章 三相并网逆变器的原理及数学模型7从而达到良好的稳定性和可靠性。LCL 型滤波器和其他型的滤波器相比较有其突出的优越性，首先在要求滤波效果相同的情况下，LCL 型滤波器比其他型所使用的电感量小，从而节省材料降低系统成本。其次，LCL 型滤波器有很好的高频谐波抑制能力，它对谐波高频分量的衰减能够满足系统要求。再次，LCL 型滤波器和电网相串联的后级电感对并网冲击电流还有着很好的抑制作用。这些特点对本文滤波器的选取奠定了基础，本文拟采用 LCL 滤波器作为逆变器滤波 17。2.4 基于 LCL 滤波器的三相并网逆变器数学模型建立三相并
32、网逆变器的数学模型的目的是为了分析其稳态和动态运行特性，是研究控制策略和控制器设计的基础，因此需要建立三相并网逆变器的数学模型图 2-3 是三相并网逆变器的主电路拓扑结构 3,8。图 2-3 三相并网逆变器主电路拓扑图 2-3 是三相并网逆变器的主电路拓扑，其中 gaU、 b、 gc为三相电网电压， gO为电网中性点， aV、 b、 c为滤波电容支路电压，进网电流分别为 ai、 b、 gci,逆变器输出电流分别为 Li、 、 Li，逆变器侧电感为 1L，网侧电感为 2L，滤波电容为 C，逆变器输出电压为 aU、 b、 c,T1T6 为 IGBT 功率器件， dc为直流侧电压。建立三相并网逆变器
33、的数学模型的目的是为了分析其稳态和动态运行特性，是研究控制策略和控制器设计的基础，因此需要建立三相并网逆变器的低频数学模型。三相并网逆变器的低频数学模型是基于基波分析而得，忽略了开关频率等高频谐波，适合分析控制系统和设计控制器参数。在分析低频数学模型之前可以做如下假设：（1）电网电压为三相对称的纯正弦波；ogT1T3T4 T5T6dcUaubucui aVbVccaIcbIcI gaigbigciT2 Cidcic LaiLbLci1 80v UcL2 Ugaugbugc燕山大学本科生毕业设计 (论文)8（2）所有电感电容均为理想器件，且三相电感、电容参数相同；（3）IGBT 均为理想器件，忽
34、略死区时间。根据假设可得三相电网电压为：(2-1)式中 gmu是电网相电压的幅值，根据式（ 2-1）可知，电网电压相序为 a 相超前 b 相超前 c 相。由于三相并网逆变器工作的进网电流与电网电压同频同相，则进网电流基波为：(2-2)式中 gmI进网相电流的幅值。根据基尔霍夫电压定律，可以得到三相并网逆变器在abc三相静止坐标系下的状态方程：(2-3)式中 12L，各变量的物理意义清晰直观，但变量数目较多且均是交流信号，不利于控制系统的设计。因此，需要进行 32s变换，即 Clark 变换：将三相静止坐标系变换到 两相静止坐标系，其原理图如图 2-4 所示： ABCO图 2-4 Clark 变
35、换假设 两相静止坐标系的 轴与 abc三相静止坐标系的 A 轴重合，根据等幅变换原则，其变换矩阵为：(2-4)asin23igmbcuttasin23igmbciItitaaga1010gbbbccdiLtuudigct 12303abcT第 2 章 三相并网逆变器的原理及数学模型9反变换矩阵为：(2-5)联立（2-3 ） 、 （2-4 ） 、 （2-5 ）可得三相并网逆变器在 两相静止坐标系下的状态方程为：(2-6)化简可得：(2-7)此状态方程与式（2-3）类似，物理意义也十分清晰直观，变量数目得以减少，但仍然是交流信号。 为了将 坐标系下的交流信号变成直流信号，需要进行 2sr变换，即
36、Park 变换：将 两相静止坐标系变换到 dq两相同步旋转坐标系，其原理图如图 2-5 所示：图 2-5 Park 变换假设初始时刻两坐标系夹角为 ，一般令 0，同时 dq坐标系以角速度 旋转，根据等幅变换原则，其变换矩阵为：(2-8)1010g gabcabcabcabcdiL uutTTT 1010g gdiLuut dqO1023abcTcostintidqT燕山大学本科生毕业设计 (论文)10反变换矩阵为：(2-9)两坐标系下的进网电流之间的关系是：(2-10)联立式（2-7 ） 、 （2-8 ） 、 （2-10 ）可得并网逆变器在 dq两相旋转坐标系下的状态方程为：（2-11）式（2
37、-11 ）表明：经过 Park 变换之后，交流变量都转变为对应的直流变量， dq两相旋转坐标系下的状态方程可以大大简化控制系统的分析和设计，但是 轴和 轴分量是耦合的，不利于系统的稳定性及动态性 6-10。G i d ( s )1 / L f s 1 / S C1 / L g SW L fW C L f sW C L f L g s 2G i q ( s )1 / L f s 1 / S C1 / L g SW L fW C L f sW C L f L g s 2W L fW L fW CW CW L gW L g+_u d 1 u d_+_+i f qi g d+_U c dU g d+_
38、i g di g qI g q *I g d *u q 1+u q i f qi f qU c qU g q+_+_+_costintidqT0gggdqdqdqggdqqiiiTTLTLtttiit10100gddgdgdqqqqiLuuiLt 第 2 章 三相并网逆变器的原理及数学模型11图 2-6 系统框图LCL 滤波器在同步旋转坐标系下的数学模型如式(2-11)所示，该坐标系下的 d轴和q轴之间存在强耦合，因此，若想在采用电流闭环控制时 d轴和 q轴均获得理想的电流跟踪指令效果，就必须对 d轴和 q轴进行解耦控制。由于耦合是存在于实际电路中的，我们进行解耦控制的基本原理是在控制部分加入
39、与耦合量绝对值大小相等的负数，消除耦合对系统的影响。2.5 本章小结本 章 首 先 介 绍 了 谐 波 的 定 义 及 危 害 ， 通 过 在 光 伏 逆 变 器 输 出 端 加 入 滤 波 器 来 消 除 和抑 制 谐 波 的 影 响 。 其 次 ， 介 绍 了 逆 变 器 的 原 理 和 滤 波 器 的 三 种 不 同 形 式 。 最 后 ， 分 析 了LCL 滤 波 器 的 数 学 模 型 ， 将 三相对称静止坐标系中的基波正弦变量转化成同步旋转坐标系中的直流变量，从而可以采用简单的 PI 控制即可实现被控量的无静差控制，简化了控制系统设计。燕山大学本科生毕业设计 (论文)12第 3 章
40、 LCL 滤波器的研究分析3.1 LCL 滤波器的谐波抑制方法传统谐波抑制主要有两方面：其一，对谐波源本身进行改进，减少谐波的产生。比如增加变流器的相数，采用先进的控制方法如等，但这是不能够完全解决问题的，可以考虑加入滤波环节等可行性方案。其二，采用电感器、电容器、电阻器组合成滤波器，针对特定谐波次数呈现低阻抗，将谐波旁路以达到滤波的目的，同时，这种滤波器还能兼顾无功补偿的需要 11。这里将重点分析 LCL 型滤波器，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，所以可以滤除高频谐波。然而，滤波电容的分流作用，使整流器的电流控制系统由一阶变为三阶，控制更为复杂，并且在某些高
41、次谐波电流下，LCL 滤波器的总阻抗接近零，将导致谐振效应，影响系统的稳态性能。一般采用在已有控制策略的基础上增加阻尼作用来解决这个问题。阻尼方法分为两种：一种叫做“无源阻尼法” ，它是通过在电容上串联电阻来使系统稳定，这种方法稳定可靠，在工业中被广泛应用，但是加入的电阻会增加系统的损耗，不适合大功率系统的应用 9。另一种方法是通过修正控制算法使系统达到稳定，消除共振作用，这种方法叫做“ 有源阻尼法 ”15。该方法通过增加控制的复杂性避免无源阻尼的损耗问题。3.2 LCL 滤波器性能指标LCL 滤波器性能指标主要包括逆变器侧电感纹波抑制能力、滤波电容和网侧电感抑制高频谐波的能力、逆变器电感和网
42、侧电感比例关系对滤波性能的影响、电网电感对滤波器的影响, 下面分别说明性能指标对滤波器的影响。3.2.1 逆变器侧电感纹波电流抑制电感电容参数之间的关系比较复杂，任何参数发生波动都会影响滤波器的性能，针对LCL 滤波器的特性主要包括逆变器侧电流纹波、滤波电容的无功电流、滤波电感的压降和网侧电流的高频纹波衰减率 11。纹波电流会使开关元器件和电感 1L的发热升温，增加功率损耗，缩短元器件的寿命，因此需要衰减逆变器侧电流的纹波 14。3.2.2 电网侧电感和滤波电容高频抑制由于电容对高频分量呈现低阻抗，增加滤波电容支路是旁路高频分量，减少高频分量进入电网。除此之外，电网侧滤波电感 2L和滤波电容
43、fC组成并联电路，要求感抗远小于容抗，这样可以保证有效的分流纹波电流。电感 2是不可缺少的，如果缺失，LCL 滤波器第 3 章 LCL 滤波器的研究分析13将变成 L 滤波器，电容会被短路，起不到分流的作用 12。调节电网侧电感 2大小时，系统的总电感量随之发生变化，低频段越高对应的电感值越小，压降越小，损耗越小，并且三者谐振频率点不同。电网侧电感 2L增加时，会导致压降增大，降低滤波器的低频增益。 2L减少时，相应的会使压降减少，提高滤波器的低频增益，由于容抗和感抗的比值是固定不变的，故滤波电容 fC增加，基波电压的容抗减少，可提高逆变器侧的无功电流容量。电感值增加，并且会影响系统的动态响应
44、。3.2.3 系统双端电感比例的影响系统双端电感包括逆变器侧电感与电网侧电感。逆变器侧的输出电压是有上限的，需要给电感设计一个给定的约束条件，电感值不易过大，如果电感值较大，会增加逆变器侧输出电压的损失，低频段增益衰减 17。滤波电感 1L和 2的比值对滤波效果也有很大的影响。3.2.4 电网电感的影响通常并网系统中。电网会自身带有电感 2L，可以视为电网侧滤波电感增加了 sL。网侧电感增加会增强滤波电容支路分流高频电流的能力，同时还降低了谐振频率和低频段的增益。3.3 输出滤波器 LCL 的设计输出滤波器的设计在光伏发电系统中是必不可少的，将逆变器产生的脉冲祥式电压和电流变成连续变化的模拟量
45、。在系统运行时，经过控制逆变桥侧电压的相位和幅值，可达到改变网侧滤波器电感的相位和幅值，实现无功功率和有功功率的大小和方向的调节。并网系统中，低频时需要增加电感来抑制电流谐波，这不仅增加了压降，直流电压给定时，闭环控制调节可能会出现超出线性调制的范围。同时也加大了系统的时间常数，影响动态响应速度。如果电网出现故障，系统需要逆变器及时作出响应，响应时间越短越好，也就是说电感值不能过大。本节详细分析了滤波设计的过程，从而得到滤波器的滤波特性。在大容量的场合中，需要大电感来抑制电流谐波，而 LCL 就解决了这种弊端，它能在不增加电感和开关频率的基础上实现谐波抑制，LCL 比单 L 性能好，并且保证低
46、频段增益和高频段衰减。LCL 滤波器是三阶，即包含两个电感，一个电容，增加了设计的难度。但是它存在零阻尼谐振点，会放大谐波。谐振点还会影响到闭环控制系统的稳定性，需要加入阻尼来抑制谐振，此类滤波器的参数较多，设计复杂，本节的关键问题是进行参数优化设计，从而增加系统的可靠性等 11。燕山大学本科生毕业设计 (论文)143.3.1 LCL 型滤波器的原理LCL 与 L 不同，它是三阶模型，如果设计不好会影响系统的稳定性，需要分析 LCL滤波器的整体模型。参数设计过程中，除了要满足网侧电流谐波含量标准外，还要使逆变器侧电流谐波和电容吸收无功功率小。图 3-1 单相 LCL 滤波器拓扑结构针对单相 L
47、CL 频率特性进行分析和研究图 3-1 所示， 是逆变器侧输出交,riVabc流电压， 是电网侧电压， 和 分别为逆变器侧和电网侧的滤波电感， 和,siVabc1L2 1R分别为对应电感的等效电阻， 是滤波电容， 是电容支路的电阻。相比于 L 滤波器，2RfCdRLCL 滤波器多了 和 ，电容支路对高频纹波电流呈现低阻抗通路从而旁路高频电流，2Lf电感 抑制电流 中的高频纹波。逆变器侧和网侧电阻 、 相比于感抗 、 较小，2i 1212可以忽略。图 3-1 进行拉普拉斯变换得到滤波器的结构框图如 3-2。图中看出，LCL 滤波器中，逆变器侧电感支路 与网侧电感支路 和电容支路 并联电路串联，求
48、出滤波器12LfC的传递函数。 1sLdfRsC21sLriVsiV1i2i1cic图 3-2 LCL 滤波器的结构框图1i 2i1R 2R1L 2LfRfCriV siVcV 第 3 章 LCL 滤波器的研究分析15系统的串联阻抗为 ：X（3-1）逆变器侧电流 为 ，网侧滤波电感和电容分流关系：1iiriVX（3-2）由逆变器侧电流 和公式（3-2）带入可以得到网侧电流 ：1i 2i（3-3）由上式可以得出从逆变器侧电压 到网侧电流 的传递函数：riV2i（3-4）在电路滤波器设计的过程中，功率开关元器件的纹波是设计的主要依据。在给定纹波衰减率的条件下，可以由式（3-4）得出两个电感和电容的约束关系。但是满足上述关系的参数可以是多组的并不唯一这给 LCL 滤波器的设计增加了难度，需要分析 LCL 滤波器的运行特性，找出电感和电容的约束条件。3.3.2 LCL 滤波器参数的设计本节对 LCL 滤波器的参数进行了设计，了解了 LCL 滤波器的工作原理，以及参数对滤波器的影响。从系统的角度看，若找出参数之间的
