熊 潔，胡賽純

(湖南城市學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

基于matlab的并網(wǎng)逆變器輸出的諧波抑制研究

熊 潔，胡賽純

(湖南城市學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

逆變器是新能源并網(wǎng)時(shí)必不可少的部分，但它并網(wǎng)輸出時(shí)波形中含有大量諧波，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響．本文對(duì)逆變器在SPWM控制下濾波輸出的諧波抑制進(jìn)行探討，重點(diǎn)對(duì)工程實(shí)踐中常用的幾種無(wú)源濾波器的濾波情況進(jìn)行了比較分析，給出了全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建了3種濾波器的數(shù)學(xué)模型，并利用matlab軟件平臺(tái)進(jìn)行了仿真，通過(guò)對(duì)輸出電流的FFT分析發(fā)現(xiàn)，LCL方式濾波的總諧波畸變率最低，是一種較好的濾波方式，在并網(wǎng)逆變的實(shí)際中有一定的應(yīng)用價(jià)值．

逆變器；無(wú)源濾波器；諧波抑制；仿真

當(dāng)今社會(huì)隨著能源短缺問(wèn)題的出現(xiàn)，大量如風(fēng)能、太陽(yáng)能等再生新能源被越來(lái)越重視，基于這些能源的分布式電網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展的目標(biāo)，但分布式電網(wǎng)中由于一些諸如硅整流、換流逆變等非線性負(fù)荷設(shè)備的采用，在電網(wǎng)系統(tǒng)中將有大量諧波的產(chǎn)生，勢(shì)必對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成很大的影響，由此帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失[1-2]．對(duì)諧波的抑制，有些地方采用了有源濾波器的技術(shù)，有體積小，智能化，模塊化等優(yōu)點(diǎn)，但也存在容量較小，成本較高的缺點(diǎn)．在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)前廣泛采用的依然以無(wú)源濾波器居多[3-4]．如何讓無(wú)源濾波器進(jìn)行較好的抑制諧波仍然是一個(gè)值得研究的問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]提出了一種加窗插值的FFT算法，認(rèn)為加窗插值的FFT算法能克服FFT算法檢測(cè)時(shí)引起的柵欄效應(yīng)、頻譜泄露及頻譜混疊，能更好的檢測(cè)到諧波間諧波，但不具有針對(duì)性；文獻(xiàn)[6]為獲得較小的輸出電壓諧波畸變率和穩(wěn)態(tài)電壓誤差率，以及較好的輸出電壓波形，提出了一種結(jié)合了PID控制技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂撇呗缘男碌牟ㄐ慰刂撇呗裕趯?shí)際工程中使用較復(fù)雜．本文主要對(duì)逆變電源在 SPWM 控制下濾波輸出的諧波抑制進(jìn)行探討．

1 并網(wǎng)逆變器及濾波輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為一單相并網(wǎng)全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，它由T1-T4共4個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，逆變電流經(jīng)濾波

圖1 并網(wǎng)全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

器濾波后并網(wǎng)[7]．對(duì)圖中所示的全橋逆變器而言，目前廣泛釆用 SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)方式對(duì)開(kāi)關(guān)管的進(jìn)行控制．由于開(kāi)關(guān)管工作于高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)作勢(shì)必產(chǎn)生大量高次諧波，這些諧波如果大量的注入電網(wǎng)中，將會(huì)使并網(wǎng)電流中的高次諧波含量增加，從而嚴(yán)重降低并網(wǎng)的電能質(zhì)量，對(duì)公共電網(wǎng)造成較大的危害．為了保證公共電網(wǎng)能正常運(yùn)行，就必須要對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行濾波，要實(shí)現(xiàn)濾波就必須在電網(wǎng)和并網(wǎng)逆變器之間接入濾波器．當(dāng)前普遍采用單 L型濾波器、LC型濾波器和LCL型濾波器3種模式的無(wú)源濾波器應(yīng)用于單相并網(wǎng)逆變器，3種濾波器見(jiàn)圖2．

圖2 3種形式濾波器的電路

2 濾波器的數(shù)學(xué)建模

為了較好的分析幾種濾波器的諧波抑制效果，建立圖2中3種濾波器的傳遞函數(shù)模型．

電感L和電容C的復(fù)頻域模型分別為sL和1/sC，圖中 3種濾波器輸出電流Ig與逆變器輸出電壓Uout之間的關(guān)系分別表示為

可以看出，單L型濾波器與LC型濾波器的輸出傳遞函數(shù)形式一致，故兩者的濾波性能相同，由此可見(jiàn)LC濾波器中的電容C對(duì)逆變器的輸出電流有濾波功能，但對(duì)并網(wǎng)電流起不了濾波作用，完成不了對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行濾波的要求．在濾波器的實(shí)際使用選擇上，單L型濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)感抗對(duì)高頻呈現(xiàn)高阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)高次諧波的濾波，但是要對(duì)高頻具有理想的濾波特性，必需要很大電感量，導(dǎo)致逆變器的體積過(guò)大、重量過(guò)重．

此外，若通過(guò)選用較高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)抑制諧波，勢(shì)必使得逆變器的損耗增加．因此單L型濾波器一般在小功率單相并網(wǎng)逆變器中使用，而在并網(wǎng)和獨(dú)立雙模式的逆變器中采用較多的則是LC型濾波器．LC濾波器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)高次諧波的抑制能力不理想，濾波效果不佳．文獻(xiàn)8中提出了一種3階系統(tǒng)的LCL型濾波器，對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的高次諧波分量表現(xiàn)為高阻抗，因而可以很好的濾除高頻開(kāi)關(guān)紋波電流，在3種濾波器達(dá)到相同濾波效果的情況下，LCL濾波器中的總電感量要比單L型濾波器以及LC型濾波器中的小很多，而且其動(dòng)態(tài)性能也較其他兩種更好．在相同開(kāi)關(guān)頻率和電感條件下，LCL型濾波器相比于其他兩種濾波器可以獲得更好的高次諧波抑制效果．所以在工程實(shí)際中，LCL型濾波器被普遍推廣使用．

3 濾波器的濾波仿真及分析

3.1 采用LC方式濾波時(shí)輸出波形及其FFT分析

為了對(duì)以上分析的問(wèn)題進(jìn)行論證，在matlab里進(jìn)行了仿真，仿真電路如圖3所示．

圖3 仿真電路圖

圖3中，“Subsystem”用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路橋的SPWM波形，“Universal Bridge”為單相全橋電路，“powergui”為圖形用戶界面，“Scope”為波形顯示模塊，逆變控制采用SPWM雙極性方式，L取值2 mH，C取值3.5 uF，仿真得到的電流輸出波形見(jiàn)圖4，F(xiàn)FT分析見(jiàn)圖5．可以看出輸出的電流波形不是很好，總諧波畸變率THD為10.8%．

3.2 采用LCL濾波的輸出波形及其FFT分析

將LC濾波方式改為L(zhǎng)CL方式，其他數(shù)據(jù)和模塊不變，仿真得到電流輸出波形見(jiàn)圖 6，F(xiàn)FT分析見(jiàn)圖 7．從圖中可以看出輸出的電流波形更加接近正弦波，總諧波畸變率THD為7.59%，而采用 LC方式濾波得到的總諧波畸變率 THD為10.8%．明顯看出LCL方式的THD比LC方式?。?/p>

圖4 電流輸出波形圖

圖5 LC方式濾波時(shí)的FFT分析圖

圖6 電流輸出波形圖

圖7 LCL方式濾波時(shí)的FFT分析圖

表1 逆變器為不同濾波輸出時(shí)的電流波形畸變率 %

為了更進(jìn)一步說(shuō)明問(wèn)題，對(duì)濾波器采用 L、LC、LCL、兩級(jí)LC、兩級(jí)LCL、三級(jí)LC、三級(jí)LCL等幾種情況下的輸出電流進(jìn)行了FFT分析，得到各自的電流波形畸變率，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1，從結(jié)果可以看出，逆變器輸出采用LCL方式的電流波形畸變率為 7.59%，是最小的．其他幾種濾波方式的電流波形畸變率都高于它．

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)逆變電源在 SPWM 控制下濾波輸出分別為 L、LC、LCL等幾種情況進(jìn)行了研究，在對(duì)LC參數(shù)進(jìn)行了重定的情況下，認(rèn)為在常用的無(wú)源濾波器中，采用LCL濾波方式，所獲得的輸出電流的正弦波效果最好，總的諧波畸變率最低，濾波方式采用有源濾波或混合濾波，本文沒(méi)做研究，這將是下一步要研究的問(wèn)題，另外，采用其他控制方式時(shí)輸出波形的情況，本文也未作研究，這也是下一步將要做的工作．

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(責(zé)任編校：蔣冬初)

Research of Grid Inverter Output Harmonic Suppression Based on Matlab

XIONG Jie,HU Sai-chun
(College of Information and Electronic Engineering, Hunan City University, Yiyang Hunan 413000, China)

Inverter is a crucial part of the new energy grid, but it causes a large number of harmonics in the waveform and has a serious impact on the power quality of the grid when it works in the grid-connecting mode. This paper discusses the harmonic suppression of filter output in inverter under the control of SPWM,mainly analyzing and comparing the filtering situation of several passive filters commonly used in engineering practice, providing the topological structure of full bridge inverter, building three kinds of mathematical model of filter, and also using the matlab software platform to simulate. By analyzing FFT of the output current, it finds that the total harmonic distortion rate is the lowest through LCL filter, which is a better method of filtering and has good application value in grid-connecting inverter.

inverter; passive filter; harmonic suppression; simulation

TM935.21

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0013

1672–7304(2017)03–0058–04

2017-05-11

湖南省教育廳科研項(xiàng)目(15C0250 )；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2017JJ2023)

熊潔(1979-)，男，湖南益陽(yáng)人，講師，碩士，主要從事電路與系統(tǒng)研究．E-mail: xiongjie_1979@126.com.