基于matlab的并網逆變器輸出的諧波抑制研究

熊 潔，胡賽純

(湖南城市學院 信息與電子工程學院，湖南 益陽 413000)

基于matlab的并網逆變器輸出的諧波抑制研究

熊 潔，胡賽純

(湖南城市學院 信息與電子工程學院，湖南 益陽 413000)

逆變器是新能源并網時必不可少的部分，但它并網輸出時波形中含有大量諧波，對電網電能質量造成嚴重的影響．本文對逆變器在SPWM控制下濾波輸出的諧波抑制進行探討，重點對工程實踐中常用的幾種無源濾波器的濾波情況進行了比較分析，給出了全橋逆變器拓撲結構，構建了3種濾波器的數學模型，并利用matlab軟件平臺進行了仿真，通過對輸出電流的FFT分析發現，LCL方式濾波的總諧波畸變率最低，是一種較好的濾波方式，在并網逆變的實際中有一定的應用價值．

逆變器；無源濾波器；諧波抑制；仿真

當今社會隨著能源短缺問題的出現，大量如風能、太陽能等再生新能源被越來越重視，基于這些能源的分布式電網是電力系統發展的目標，但分布式電網中由于一些諸如硅整流、換流逆變等非線性負荷設備的采用，在電網系統中將有大量諧波的產生，勢必對電網的電能質量造成很大的影響，由此帶來經濟損失[1-2]．對諧波的抑制，有些地方采用了有源濾波器的技術，有體積小，智能化，模塊化等優點，但也存在容量較小，成本較高的缺點．在實際工程應用中，當前廣泛采用的依然以無源濾波器居多[3-4]．如何讓無源濾波器進行較好的抑制諧波仍然是一個值得研究的問題，文獻[5]提出了一種加窗插值的FFT算法，認為加窗插值的FFT算法能克服FFT算法檢測時引起的柵欄效應、頻譜泄露及頻譜混疊，能更好的檢測到諧波間諧波，但不具有針對性；文獻[6]為獲得較小的輸出電壓諧波畸變率和穩態電壓誤差率，以及較好的輸出電壓波形，提出了一種結合了PID控制技術與神經網絡內模控制策略的新的波形控制策略，但在實際工程中使用較復雜．本文主要對逆變電源在 SPWM 控制下濾波輸出的諧波抑制進行探討．

1 并網逆變器及濾波輸出拓撲結構

圖1為一單相并網全橋逆變器拓撲結構圖，它由T1-T4共4個開關管組成，逆變電流經濾波

圖1 并網全橋逆變器拓撲結構圖

器濾波后并網[7]．對圖中所示的全橋逆變器而言，目前廣泛釆用 SPWM(正弦波脈寬調制)方式對開關管的進行控制．由于開關管工作于高速開關狀態，其開通和關斷動作勢必產生大量高次諧波，這些諧波如果大量的注入電網中，將會使并網電流中的高次諧波含量增加，從而嚴重降低并網的電能質量，對公共電網造成較大的危害．為了保證公共電網能正常運行，就必須要對并網電流進行濾波，要實現濾波就必須在電網和并網逆變器之間接入濾波器．當前普遍采用單 L型濾波器、LC型濾波器和LCL型濾波器3種模式的無源濾波器應用于單相并網逆變器，3種濾波器見圖2．

圖2 3種形式濾波器的電路

2 濾波器的數學建模

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模型．

電感L和電容C的復頻域模型分別為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形式一致，故兩者的濾波性能相同，由此可見LC濾波器中的電容C對逆變器的輸出電流有濾波功能，但對并網電流起不了濾波作用，完成不了對并網電流進行濾波的要求．在濾波器的實際使用選擇上，單L型濾波器具有結構簡單的優點，通過感抗對高頻呈現高阻抗來實現高次諧波的濾波，但是要對高頻具有理想的濾波特性，必需要很大電感量，導致逆變器的體積過大、重量過重．

此外，若通過選用較高開關頻率來抑制諧波，勢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逆變器中使用，而在并網和獨立雙模式的逆變器中采用較多的則是LC型濾波器．LC濾波器雖然結構簡單，但是對高次諧波的抑制能力不理想，濾波效果不佳．文獻8中提出了一種3階系統的LCL型濾波器，對開關過程中產生的高次諧波分量表現為高阻抗，因而可以很好的濾除高頻開關紋波電流，在3種濾波器達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，而且其動態性能也較其他兩種更好．在相同開關頻率和電感條件下，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方式濾波時輸出波形及其FFT分析

為了對以上分析的問題進行論證，在matlab里進行了仿真，仿真電路如圖3所示．

圖3 仿真電路圖

圖3中，“Subsystem”用來產生驅動電路橋的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圖4，FFT分析見圖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LCL方式，其他數據和模塊不變，仿真得到電流輸出波形見圖 6，FFT分析見圖 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方式小．

圖4 電流輸出波形圖

圖5 LC方式濾波時的FFT分析圖

圖6 電流輸出波形圖

圖7 LCL方式濾波時的FFT分析圖

表1 逆變器為不同濾波輸出時的電流波形畸變率 %

為了更進一步說明問題，對濾波器采用 L、LC、LCL、兩級LC、兩級LCL、三級LC、三級LCL等幾種情況下的輸出電流進行了FFT分析，得到各自的電流波形畸變率，其數據見表 1，從結果可以看出，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 結語

對逆變電源在 SPWM 控制下濾波輸出分別為 L、LC、LCL等幾種情況進行了研究，在對LC參數進行了重定的情況下，認為在常用的無源濾波器中，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，本文沒做研究，這將是下一步要研究的問題，另外，采用其他控制方式時輸出波形的情況，本文也未作研究，這也是下一步將要做的工作．

[1]趙晉斌, 張元吉, 屈克慶, 等. 單相LCL并網逆變器控制策略綜述[J]. 電工技術學報, 2013, 28(10): 134-142.

[2]王要強, 吳風江, 孫力, 等．阻尼損耗最小化的LCL濾波器參數優化設計[J]. 中國電機工程學報，2010, 30(27): 90-95.

[3]張小娥. LCL型單相光伏并網逆變器控制策略的研究[D]. 銀川: 寧夏大學, 2014.

[4]胡賽純. SPWM單相逆變電路的諧波分析[J]. 通信電源技術，2011, 28(3): 45-47.

[5]LI JIA-SHENG. The detection of harmonic and inter-harmonic caused by synchronization of small hydropower station[J].Information Technology Journal, 2013, 12(5): 1004-1010.

[6]李加升, 楊金輝, 肖衛初. 基于神經網絡內模的岸電電源波形控制[J]. 高電壓技術, 2012, 38(11): 3033-3040.

[7]徐順剛, 許建平, 曹太強. SPWM逆變電源輸出諧波分析及抑制方法研究[J]. 電子科技大學學報, 2010, 39(5): 701-705.

[8]LINDGREN M, SVENSSON J. Control of a voltage–source converter connected to the grid through an LCL-filterapplication to active filtering[C]. Power Electronics Specialists Conference, IEEE PESC, FUkuoda, Japan, 1998: 18-21.

(責任編校：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目(15C0250 )；湖南省自然科學基金項目(2017JJ2023)

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