2.3　并網逆變器主電路關鍵技術參數設計

仍以某40MW光伏發電項目為例，大型光伏電站中普遍采用250kW或500kW型號的大功率并網逆變器。同時，光伏發電項目給出了如表2.1所示的與并網逆變器相關的技術參數，主要包括光伏陣列MPPT電壓范圍、額定交流輸出功率、額定電網電壓及頻率，逆變器開關頻率等。

由表2.1可以看出，相關技術參數中并未涉及和逆變器控制性能緊密聯系的LCL濾波器參數以及直流側支撐電容參數。雖然在PWM整流器和逆變器相關研究中，國內外學者針對LCL濾波器參數設計時的限制條件及設計步驟做了一些研究工作，但是由于這些方法需要多次嘗試，才能找到合適的參數，并且在設計中需要繁瑣的計算過程。同時，對于250kW和500kW型號的大功率并網逆變器，很少有文獻給出相應的LCL濾波器參數以及直流側支撐電容參數，雖然相關文獻中給出了一種基于500kW并網逆變器的LCL濾波器參數設計結果（L₁=0.2mH，L₂=0.03mH，C₁=83μF，f_sw=5kHz），但是當實際值和理論值偏離時，該LCL濾波器參數對電流環的動態性能影響較大，而且其諧振頻率也不在允許范圍內。

因此，針對上述問題，本節依據現有的設計LCL濾波器參數時的基本限制條件，以250kW和500kW兩種型號的大功率并網逆變器為例，設計了相應的LCL濾波器參數以及直流支撐電容參數，并且在后續的研究中證明了本節設計的LCL濾波器參數的優越性。

2.3.1　三相LCL濾波器參數設計

濾波器的設計對并網逆變器的控制性能至關重要，濾波器性能的好壞會直接影響到并網逆變器的穩態和動態性能^[7～10]。在LCL濾波器參數設計過程中，除了要滿足并網逆變器網側諧波電流畸變率低的要求外，還應考慮：

① 總的電感量、濾波電感和電容吸收的無功功率盡可能小；

② 并網逆變器的逆變側的電流諧波含量盡可能小，逆變器輸出側電壓對并網基波電流的控制能力要盡可能大；

③ LCL濾波器的諧振頻率滿足一定的控制要求。

對于LCL濾波器的參數設計，主要包括如下幾個限制條件以及檢驗要求。

（1）總電感量L=L₁+L₂的設計限制

從穩態條件下并網逆變器輸出有功功率以及無功功率的能力考慮，LCL濾波器的總電感量L₁+L₂應予以限制。由于考慮并網逆變器對有功和無功功率的穩態控制性能，而在穩態時LCL濾波器可等效為電感量為L₁+L₂的L濾波器。對于采用雙極性正弦脈寬調制Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM的并網逆變器，電感電流紋波的最大值Δi_max和逆變器直流母線電壓u_dc、逆變器載波周期T_sw（其倒數為逆變器開關頻率f_sw）之間有如下關系

Δi_max=　　 （2.18）

輸出濾波電感的最小值一般由設定的電感電流紋波決定，而電流紋波一般取10%～20%的額定交流電流，即

Δi_max≤λI_a　　 （2.19）

式中，λ為10%～20%的額定交流電流系數；I_a為額定交流相電流有效值。

由式（2.18）和式（2.19）計算可得LCL濾波器的總電感量應滿足

L≥　　 （2.20）

因此，通過式（2.20）可以看出，LCL濾波器總電感值的選擇除與開關頻率f_sw有關外，還與直流母線電壓u_dc、額定功率之間存在互相約束的關系，因此在實際應用中需要折中考慮。比如并網逆變器的直流側電壓越高，相應的電感值L就需要越大，否則將會超過紋波電流的限制范圍。

（2）濾波電容C₁的設計限制

在并網逆變器中，LCL濾波器的濾波電容值越大，產生的無功功率就越大，為了提高功率因數，一般規定濾波電容吸收的基波無功功率需要低于系統額定有功功率的5%。因此可得

C₁≤τC_b=τ×=　　 （2.21）

式中，τ為在額定工況下濾波電容吸收的無功功率比例；C_b為系統基準電容值；Z_b為系統基準阻抗值；ω₁為基波角頻率；u_arms為電網相電壓有效值；P_out為并網逆變器輸出功率。

（3）LCL濾波器諧振頻率f_res的檢驗要求

為了不使LCL濾波器的諧振峰值出現在低頻或開關頻率附近，一般要求其濾波器諧振頻率設計在10倍基頻和0.5倍開關頻率之間，即

10f₁≤f_res=≤0.5f_sw　　 （2.22）

此外，LCL濾波器中電感L₁和L₂的比值設定在3～6之間比較合適，同時應盡可能地滿足LCL濾波器對開關頻率附近高次諧波分量的衰減要求。另一方面，考慮到在整個系統設備中，無論從重量、體積還是成本來說，磁性材料都高于其他材料，應盡可能減小磁性材料所占的比重。和磁性材料相比，由于交流濾波電容體積較小、重量較輕而且成本也不是很高，因此，如果從成本、體積和重量等方面考慮，在設計LCL濾波器的參數時，應適當地增加電容值，進而減小電感值。

根據上述設計時的一些基本限制及要求，本文分別給出了250kW并網逆變器和500kW并網逆變器的LCL濾波器參數設計結果。對于250kW并網逆變器，LCL濾波器參數給定為L₁=0.48mH，L₂=0.16mH，C₁=110μF；對于500kW并網逆變器，LCL濾波器參數給定為L₁=0.24mH，L₂=0.08mH，C₁=220μF。此時LCL濾波器的諧振頻率均為

f_res==1386Hz　　 （2.23）

均滿足LCL濾波器諧振頻率維持在10倍基頻和0.5倍開關頻率之間設計要求。

2.3.2　直流支撐電容參數設計

在并網逆變器正常運行條件下，當并網逆變器的容量突增50%時，直流側電壓（450～820V）最大波動在t=200μs的時間間隔內應小于5%，則計算直流支撐電容如下

　　 （2.24）

由此可得，對250kW逆變器來說，直流支撐電容（直流電壓為450V時）為

C≥==2532μF　　 （2.25）

對于500kW逆變器來說，直流支撐電容（直流電壓為450V時）為

C≥==5064μF　　 （2.26）

以單個電容值為680μF、耐壓值為1000V的直流電容為例，由于并網逆變器直流輸入電壓通常情況下介于450～820V之間，對于250kW逆變器，直流支撐電容C可選用不少于3個直流電容并聯而成；而對于500kW逆變器，直流支撐電容C可選用不少于8個直流電容并聯而成。

為了直觀比較，表2.2分別給出了250kW逆變器和500kW逆變器的LCL濾波器及直流支撐電容參數。

由表2.2可以看出，LCL濾波器總的電感值與并網逆變器的額定容量成反比，而濾波電容值與并網逆變器的額定容量成正比，即隨著并網逆變器額定容量的逐漸增大，LCL濾波器總的電感值應逐漸減小以降低阻抗壓降，濾波電容值應逐漸增大以維持吸收的基波無功功率。