1.为什么需要滤波器
当前并网逆变器大多采用脉冲宽度调制(PWM)技术,导致桥臂输出的电压中存在开关频率及倍数频率次的谐波电压,进而使得输出到电网的电流中含有谐波。从电网的角度来看,是不希望系统内含有高次谐波的,因为这会影响电能质量。所以并网逆变器中通常需要加入滤波器,以滤除逆变器桥臂中点电压的开关纹波,避免对交流电网产生较大的污染。
2. 滤波器种类
目前常见的入网滤波器种类主要有L型、LC型与LCL型三种类型。不同的种类效果有所不同,应用领域也有所不同。
2.1 L滤波器
L 滤波器下图所示,只由一个电感组成
从传递函数的角度分析,采用单电感滤波时,桥臂间输出电压uinv至并网电流ig之间的传递函数为:
将上述传递函数画出伯德图的话,可以看出是一条-20dB/dec的斜线,所以说,为了满足并网电流的质量要求,就需要在高频处有足够的削弱能力,则需要很大的电感值,这在无形中增大了滤波器的体积,降低了功率密度。
2.2 LC滤波器
下图为LC滤波器结构图,他的传递函数是一个二阶滤波器并且具有-40dB/dec的衰减能力。相比于L型滤波器,LC低通滤波器能有效过滤开关频率周围的谐波。
但是在逆变器并网时,输出电压由电网电压钳位,只有滤波电感对并网电流有滤波效果,而电容仅充当本地负载,起不到滤波的效果,会影响并网电流和基准电流之间的相位,所以LC滤波器一般用在独立运行工作模式的逆变器,较少应用于并网逆变器。
2.3 LCL滤波器
LCL 滤波器的结构图如下图所示,相较于L型和LC型滤波器,LCL滤波器可以实现更为优秀的开关频率谐波抑制效果,使用了两个电感,每个电感的感值就可以减小,这在一定程度上,降低滤波器体积、重量、成本和损耗,同时也是并网逆变器入网滤波器的首选方案,常应用于大功率并网逆变系统。
值得一提的是,相较于一阶的单L滤波器,LCL滤波器中滤波元件较多,系统阶数较高,其参数设计较为复杂,并且容易发生谐振。基于LCL滤波器的并网逆变器虽然可以实现开关频率次电流谐波的大幅衰减,但高阶滤波器的谐振极点容易导致滤波器输入输出特性曲线中存在谐振尖峰以及相位突变,该谐振特性会影响并网逆变器的稳定性。
3.总结
综合以上所述,LCL滤波器从滤波性能上完全可以满足并网逆变器的需求,但是也会为系统引入一个谐振点,这对于系统设计来讲是不愿意看到的,所以在LCL滤波器参数设计的时候,需要避免谐振频率和电网基波频率、开关频率的重合,以免对系统运行造成影响。