适宜于h桥串联并网逆变链lcl滤波器的参数快速整定方法
阅读说明：本技术 适宜于h桥串联并网逆变链lcl滤波器的参数快速整定方法 (Parameter quick setting method suitable for H-bridge series connection grid-connected inverter chain LCL filter ) 是由 杨维满 *** 朱亚娜 王兴贵 祁霄鹏 郭永吉 王琢玲 *** 郭群 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：适宜于H桥串联并网逆变链LCL滤波器的参数快速整定方法,涉及的单相并网逆变链中H桥微源逆变器单元(1)、(2)、(3)、(4)交流输出侧依次通过串联方式连接。涉及一种多H桥单元串联连接型单相并网逆变链的LCL滤波器参数快速设计方法,前后依次包括五个步骤：确定LCL滤波器中逆变链侧电感和网侧电感取值总和；确定LCL滤波器中逆变链侧电感取值；确定单相并网逆变链等效载波频率；确定网侧电感取值；确定LCL滤波器中滤波电容取值。所涉及LCL滤波器参数设计方法对促进LCL型滤波器在串联连接型单相并网逆变链中的便捷应用具有重要用途。(The method is suitable for the parameter rapid setting method of the LCL filter of the H-bridge series-connection grid-connected inverter chain, and alternating current output sides of H-bridge micro-source inverter units (1), (2), (3) and (4) in the single-phase grid-connected inverter chain are connected in series in sequence. Relates to a method for rapidly designing parameters of an LCL filter of a multi-H-bridge unit series connection type single-phase grid-connected inverter chain, which sequentially comprises the following five steps: determining the value sum of the inverter chain side inductance and the network side inductance in the LCL filter; determining the value of the inductance on the side of an inverter chain in the LCL filter; determining the equivalent carrier frequency of a single-phase grid-connected inverter chain; determining the value of the network side inductance; and determining the value of the filter capacitor in the LCL filter. The LCL filter parameter design method has important application in promoting convenient application of the LCL type filter in a series connection type single-phase grid-connected inverter chain.)
技术领域
本发明涉及LCL滤波器参数设计方法，特别是应用于多H桥单元串联连接型单相并网逆变链的LCL滤波器参数快速设计方法，来实现LCL滤波型多H桥单元串联连接型单相并网逆变链主电路参数的快速设计，促进相关科学问题研究及光伏、风力等清洁能源实际工程中的应用。
背景技术
风力发电、光伏发电已成为风能、太阳能利用的主要手段，目前风、光等分布式电源电能变换器拓扑结构类型多种多样，尤其是分布式光伏发电系统其电能变换器形式多样，有多级式、单级式、交错并联式、级联型以及H桥逆变单元串联结构的风光储并网发电系统。级联型以及H桥逆变单元串联结构的风光储并网发电系统中多H桥单元串联连接型单相并网逆变链等效载波频率高，是单个H桥逆变单元载波频率的N倍，此处N为串联连接型单相并网逆变链中H桥逆变单元的个数。
目前分布式并网发电系统并网端多采用L型滤波器和LCL型滤波器，在低频段二者对谐波的抑制能力几乎相同，但在高频段L型滤波器对高频谐波的抑制能力相比LCL型滤波器而言弱很多，也就是说LCL型滤波器对高频谐波的抑制能力更胜一筹。多H桥单元串联连接型单相并网逆变链等效载波频率相对单个H桥逆变单元的载波频率提高了N倍，故其谐波主要集中的频段也对应提高N倍，这就表明在多H桥单元串联连接型单相并网分布式发电系统中，更适合采用LCL型滤波器。因此，本发明涉及一种多H桥单元串联连接型单相并网逆变链的LCL滤波器参数快速设计方法。
发明内容
本发明目的是将LCL滤波器应用于级联型以及H桥逆变单元串联结构的风光储并网发电系统中，通过依次确定逆变链侧电感与网侧电感之和L1+L2，多H桥单元串联连接型单相并网逆变链等效载波频率，逆变链侧电感L1，网侧电感L2以及滤波电容C，基此完成LCL滤波器参数的快速设计。
本发明是适宜于H桥串联并网逆变链LCL滤波器的参数快速整定方法，其步骤为：
步骤(1)：根据LCL滤波器中滤波电容C引入的无功功率限定，求取滤波电容C的值为：
式子(1)中λ1为LCL滤波器中滤波电容C消耗容性无功与并网逆变器输出额定有功功率百分比，其值取3％-8％；
步骤(2)：根据多H桥单元串联连接型单相并网逆变链正常工作，须使得LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和满足式子(2)：
为使LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2上的总压降不超过电网电压有效值的λ％，又使得LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和满足式子(3)：
式子(2)、式子(3)中Udcj是H桥微源逆变器单元j(j＝1、2、3、4)直流母线电压，Ug是电网电压的基波分量有效值，Ig是并网电流基波分量有效值，fs为并网点电网电压基波分量频率，λ2是电网电压有效值百分比，一般取值5％-10％，所计算的LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和的较小者作为上限限定值，以大于零作为下限限定值，得到式子(4)：
0＜L1+L2≤min(L12,L'12) (4)
由式子(4)作为LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和的取值范围；
步骤(3)：根据串联连接结构中H桥单元载波频率确定出该单相并网逆变链等效开关频率fcN：
fcN＝N×fc (5)
式子(5)中fc为串联连接型单相并网逆变链中单个H桥逆变单元SPWM载波频率，N为串联连接型单相并网逆变链中H桥逆变单元个数；
步骤(4)：确定逆变链侧电感L1，根据流过逆变链侧电感L1电流的纹波系数限定L1最小值，当多H桥单元串联连接型单相并网逆变链采用双极性CPS-SPWM时，利用式子(6)计算出逆变链侧电感L1下限值：
当多H桥单元串联连接型单相并网逆变链采用单极性CPS-SPWM时，利用式子(7)计算出逆变链侧电感L1下限值：
式子(6)、式子(7)中λ2是逆变链侧电感电流纹波系数，且λ3＝ΔiL1max/IL1，其中ΔiL1max和IL1分别为流过逆变链侧电感L1电流的最大瞬时值和有效值，工程中取15％-30％即可，fcN是单相并网逆变链等效开关频率，逆变链侧电感L1上限值利用其两端基波电压降落限定条件来确定：
式子(8)中λ4为电感L1两端基波电压降落与电容C两端电压百分比，通常取值5％，由此可确定出逆变链侧电感L1取值为L1min与L1max之间的任意正数，为减小LCL滤波器体积，取L1min与L1max之间且最接近于L1min的正数；
步骤(5)：根据逆变链侧电感L1与网侧电感L2的数量关系确定电感L2取值：
式子(9)中a为逆变链侧电感L1与网侧电感L2取值之比，a通常取值1-3，L2最终在零与min(L12,L'12)/(1+a)之间取值即可；
步骤(1)或调整到步骤(2)或步骤(3)之后，但步骤(1)必须保证在步骤(4)和步骤(5)之前，经过上述五个在步骤，可快速设计出满足基本要求的LCL滤波器参数，结合有源阻尼或无源阻尼方法、并网电流控制器即可使多H桥单元串联连接型单相并网逆变链输出满足分布式电源并网质量要求的电流。
本发明的有益之处是：将LCL滤波器应用于级联型以及H桥逆变单元串联结构的风光储并网发电系统中，内部多H桥单元串联连接型单相并网逆变链等效载波频率高，是单个H桥逆变单元载波频率的N倍，此处N为串联连接型单相并网逆变链中H桥逆变单元的个数。目前分布式并网发电系统并网端多采用L型滤波器和LCL型滤波器，在低频段二者对谐波的抑制能力几乎相同，但在高频段L型滤波器对高频谐波的抑制能力相比LCL型滤波器而言弱很多，也就是说LCL型滤波器对高频谐波的抑制能力更胜一筹。多H桥单元串联连接型单相并网逆变链等效载波频率相对单个H桥逆变单元的载波频率提高了N倍，故其谐波主要集中的频段也对应提高N倍，这就表明在多H桥单元串联连接型单相并网分布式发电系统中，更适合采用LCL型滤波器。所发明的一种多H桥单元串联连接型单相并网逆变链的LCL滤波器参数快速设计方法，能够通过固定步骤快速确定出满足基本条件要求的LCL滤波器参数具体取值。结合有源阻尼或无源阻尼方法、并网电流控制器即可使多H桥单元串联连接型单相并网逆变链输出满足分布式电源并网要求的电流。
附图说明
图1是多H桥单元串联连接型单相并网逆变链及LCL滤波器系统结构图，图2是串联连接型单相并网逆变链中各H桥单元直流侧电源连接图。
具体实施方式
如图1所示，多H桥单元串联连接型单相并网逆变链中H桥微源逆变器单元(1)、(2)、(3)、(4)交流输出侧依次通过串联方式连接，微源通过旁路开关((9)、(10)、(11)、(12))进行解列/恢复操作，H桥微源逆变器单元(1)、(2)、(3)、(4)输入侧直流电源(5)、(6)、(7)、(8)或是光伏电池组件，或是直流储能电池，或是交流发电体与AC/DC整流电路组合单元(14)，或是交流发电体、AC/DC整流电路及直流储能电池组合单元(15)，或是直流发电体与DC/DC直流斩波电路组合单元(16)，或是直流发电体、DC/DC直流斩波电路及直流储能电池组合单元(17)，H桥单元串联连接型单相并网逆变链输出端与LCL滤波器(13)的左侧相并连，LCL滤波器(13)右侧经过并网开关S1与电网母线相并连，本发明是H桥串联并网逆变链的LCL滤波器参数快速设计方法，其步骤为：
步骤(1)：根据LCL滤波器中滤波电容C引入的无功功率限定，求取滤波电容C的值为：
式子(1)中λ1为LCL滤波器中滤波电容C消耗容性无功与并网逆变器输出额定有功功率百分比，其值取3％-8％；
步骤(2)：根据多H桥单元串联连接型单相并网逆变链正常工作，须使得LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和满足式子(2)：
为使LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2上的总压降不超过电网电压有效值的λ％，又使得LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和满足式子(3)：
式子(2)、式子(3)中Udcj是H桥微源逆变器单元j(j＝1、2、3、4)直流母线电压，Ug是电网电压的基波分量有效值，Ig是并网电流基波分量有效值，fs为并网点电网电压基波分量频率，λ2是电网电压有效值百分比，一般取值5％-10％，所计算的LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和的较小者作为上限限定值，以大于零作为下限限定值，得到式子(4)：
0＜L1+L2≤min(L12,L'12) (4)
由式子(4)作为LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和的取值范围；
步骤(3)：根据串联连接结构中H桥单元载波频率确定出该单相并网逆变链等效开关频率fcN：
fcN＝N×fc (5)
式子(5)中fc为串联连接型单相并网逆变链中单个H桥逆变单元SPWM载波频率，N为串联连接型单相并网逆变链中H桥逆变单元个数；
步骤(4)：确定逆变链侧电感L1，根据流过逆变链侧电感L1电流的纹波系数限定L1最小值，当多H桥单元串联连接型单相并网逆变链采用双极性CPS-SPWM时，利用式子(6)计算出逆变链侧电感L1下限值：
当多H桥单元串联连接型单相并网逆变链采用单极性CPS-SPWM时，利用式子(7)计算出逆变链侧电感L1下限值：
式子(6)、式子(7)中λ2是逆变链侧电感电流纹波系数，且λ3＝ΔiL1max/IL1，其中ΔiL1max和IL1分别为流过逆变链侧电感L1电流的最大瞬时值和有效值，工程中取15％-30％即可，fcN是单相并网逆变链等效开关频率，逆变链侧电感L1上限值利用其两端基波电压降落限定条件来确定：
式子(8)中λ4为电感L1两端基波电压降落与电容C两端电压百分比，通常取值5％，由此可确定出逆变链侧电感L1取值为L1min与L1max之间的任意正数，为减小LCL滤波器体积，取L1min与L1max之间且最接近于L1min的正数；
步骤(5)：根据逆变链侧电感L1与网侧电感L2的数量关系确定电感L2取值：
式子(9)中a为逆变链侧电感L1与网侧电感L2取值之比，a通常取值1-3，L2最终在零与min(L12,L'12)/(1+a)之间取值即可。
具体实施步骤如下：
步骤(1)：根据LCL滤波器中滤波电容C引入的无功功率限定，求取滤波电容C的值为：
式子(1)中λ1为LCL滤波器中滤波电容C消耗容性无功与并网逆变器输出额定有功功率百分比，其值取3％-8％；
步骤(2)：根据多H桥单元串联连接型单相并网逆变链正常工作，须使得LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和满足式子(2)：
为使LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2上的总压降不超过电网电压有效值的λ％，又使得LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和满足式子(3)：
式子(2)、式子(3)中Udcj是H桥微源逆变器单元j(j＝1、2、3、4)直流母线电压，Ug是电网电压的基波分量有效值，Ig是并网电流基波分量有效值，fs为并网点电网电压基波分量频率，λ2是电网电压有效值百分比，一般取值5％-10％，所计算的LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和的较小者作为上限限定值，以大于零作为下限限定值，得到式子(4)：
0＜L1+L2≤min(L12,L'12) (4)
由式子(4)作为LCL滤波器中逆变链侧电感L1和网侧电感L2之和的取值范围；
步骤(3)：根据串联连接结构中H桥单元载波频率确定出该单相并网逆变链等效开关频率fcN：
fcN＝N×fc (5)
式子(5)中fc为串联连接型单相并网逆变链中单个H桥逆变单元SPWM载波频率，N为串联连接型单相并网逆变链中H桥逆变单元个数；
步骤(4)：确定逆变链侧电感L1，根据流过逆变链侧电感L1电流的纹波系数限定L1最小值，当多H桥单元串联连接型单相并网逆变链采用双极性CPS-SPWM时，利用式子(6)计算出逆变链侧电感L1下限值：
当多H桥单元串联连接型单相并网逆变链采用单极性CPS-SPWM时，利用式子(7)计算出逆变链侧电感L1下限值：
式子(6)、式子(7)中λ2是逆变链侧电感电流纹波系数，且λ3＝ΔiL1max/IL1，其中ΔiL1max和IL1分别为流过逆变链侧电感L1电流的最大瞬时值和有效值，工程中取15％-30％即可，fcN是单相并网逆变链等效开关频率，逆变链侧电感L1上限值利用其两端基波电压降落限定条件来确定：
式子(8)中λ4为电感L1两端基波电压降落与电容C两端电压百分比，通常取值5％，由此可确定出逆变链侧电感L1取值为L1min与L1max之间的任意正数，为减小LCL滤波器体积，取L1min与L1max之间且最接近于L1min的正数；
步骤(5)：根据逆变链侧电感L1与网侧电感L2的数量关系确定电感L2取值：
式子(9)中a为逆变链侧电感L1与网侧电感L2取值之比，a通常取值1-3，L2最终在零与min(L12,L'12)/(1+a)之间取值即可；
步骤(1)或调整到步骤(2)或步骤(3)之后，但步骤(1)必须保证在步骤(4)和步骤(5)之前，经过上述五个在步骤，可快速设计出满足基本要求的LCL滤波器参数，结合有源阻尼或无源阻尼方法、并网电流控制器即可使多H桥单元串联连接型单相并网逆变链输出满足分布式电源并网质量要求的电流。
例如,多H桥单元串联连接型单相并网逆变链中H桥逆变单元个数为4，各H桥逆变单元直流侧电压为100V，额定功率为5kW，载波相移SPWM中单个H桥逆变单元载波频率为5kHz，所接电网并网点电压为220V/50Hz。利用已知条件并结合本发明所涉及的LCL滤波器参数设计步骤可以快速确定出具体取值：
步骤1：根据式子(1)，取λ1＝5％可得滤波电容C的值为：
此处滤波电容C可取整数值16μF。
步骤2：由实际给定条件知Udcj＝100V、Ug＝220V、fs＝50Hz，Ig≈22.73、取λ2＝8％，将其分别代入式子(2)、式子(3)分别得：
故逆变链侧电感和网侧电感取值总和0≤L1+L2≤3.95mH；
步骤3：单相并网逆变链等效开关频率fcN＝N×fc＝4×5kHz＝20kHz；
步骤4：确定逆变链侧电感L1下限值，此处λ3取15％-30％中间一值，即取λ3＝20％，根据式子(7)得：
同时，根据式子(8)得逆变链侧电感L1上限值：
故逆变链侧电感L1可取1.1-1.54mH之间的任意值，为减小LCL滤波器体积L1取值1.2mH；
步骤5：确定电感L2取值，根据逆变链侧电感L1与网侧电感L2的数量关系式子(9)，a取2可得：
此处网侧电感L2取值1.3mH；
以上是本发明的实施方法之一，对于本领域内的一般技术员而言，在不花费创造性劳动的情况下，可对上述实施例进行多种变化，同样能够实现本发明的目的。但是很明显，这种变化应该包含在本发明权利要求书的保护范围内。