2.3　并网逆变器主电路关键技术参数设计

仍以某40MW光伏发电项目为例，大型光伏电站中普遍采用250kW或500kW型号的大功率并网逆变器。同时，光伏发电项目给出了如表2.1所示的与并网逆变器相关的技术参数，主要包括光伏阵列MPPT电压范围、额定交流输出功率、额定电网电压及频率，逆变器开关频率等。

由表2.1可以看出，相关技术参数中并未涉及和逆变器控制性能紧密联系的LCL滤波器参数以及直流侧支撑电容参数。虽然在PWM整流器和逆变器相关研究中，国内外学者针对LCL滤波器参数设计时的限制条件及设计步骤做了一些研究工作，但是由于这些方法需要多次尝试，才能找到合适的参数，并且在设计中需要繁琐的计算过程。同时，对于250kW和500kW型号的大功率并网逆变器，很少有文献给出相应的LCL滤波器参数以及直流侧支撑电容参数，虽然相关文献中给出了一种基于500kW并网逆变器的LCL滤波器参数设计结果（L₁=0.2mH，L₂=0.03mH，C₁=83μF，f_sw=5kHz），但是当实际值和理论值偏离时，该LCL滤波器参数对电流环的动态性能影响较大，而且其谐振频率也不在允许范围内。

因此，针对上述问题，本节依据现有的设计LCL滤波器参数时的基本限制条件，以250kW和500kW两种型号的大功率并网逆变器为例，设计了相应的LCL滤波器参数以及直流支撑电容参数，并且在后续的研究中证明了本节设计的LCL滤波器参数的优越性。

2.3.1　三相LCL滤波器参数设计

滤波器的设计对并网逆变器的控制性能至关重要，滤波器性能的好坏会直接影响到并网逆变器的稳态和动态性能^[7～10]。在LCL滤波器参数设计过程中，除了要满足并网逆变器网侧谐波电流畸变率低的要求外，还应考虑：

① 总的电感量、滤波电感和电容吸收的无功功率尽可能小；

② 并网逆变器的逆变侧的电流谐波含量尽可能小，逆变器输出侧电压对并网基波电流的控制能力要尽可能大；

③ LCL滤波器的谐振频率满足一定的控制要求。

对于LCL滤波器的参数设计，主要包括如下几个限制条件以及检验要求。

（1）总电感量L=L₁+L₂的设计限制

从稳态条件下并网逆变器输出有功功率以及无功功率的能力考虑，LCL滤波器的总电感量L₁+L₂应予以限制。由于考虑并网逆变器对有功和无功功率的稳态控制性能，而在稳态时LCL滤波器可等效为电感量为L₁+L₂的L滤波器。对于采用双极性正弦脉宽调制Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM的并网逆变器，电感电流纹波的最大值Δi_max和逆变器直流母线电压u_dc、逆变器载波周期T_sw（其倒数为逆变器开关频率f_sw）之间有如下关系

Δi_max=　　 （2.18）

输出滤波电感的最小值一般由设定的电感电流纹波决定，而电流纹波一般取10%～20%的额定交流电流，即

Δi_max≤λI_a　　 （2.19）

式中，λ为10%～20%的额定交流电流系数；I_a为额定交流相电流有效值。

由式（2.18）和式（2.19）计算可得LCL滤波器的总电感量应满足

L≥　　 （2.20）

因此，通过式（2.20）可以看出，LCL滤波器总电感值的选择除与开关频率f_sw有关外，还与直流母线电压u_dc、额定功率之间存在互相约束的关系，因此在实际应用中需要折中考虑。比如并网逆变器的直流侧电压越高，相应的电感值L就需要越大，否则将会超过纹波电流的限制范围。

（2）滤波电容C₁的设计限制

在并网逆变器中，LCL滤波器的滤波电容值越大，产生的无功功率就越大，为了提高功率因数，一般规定滤波电容吸收的基波无功功率需要低于系统额定有功功率的5%。因此可得

C₁≤τC_b=τ×=　　 （2.21）

式中，τ为在额定工况下滤波电容吸收的无功功率比例；C_b为系统基准电容值；Z_b为系统基准阻抗值；ω₁为基波角频率；u_arms为电网相电压有效值；P_out为并网逆变器输出功率。

（3）LCL滤波器谐振频率f_res的检验要求

为了不使LCL滤波器的谐振峰值出现在低频或开关频率附近，一般要求其滤波器谐振频率设计在10倍基频和0.5倍开关频率之间，即

10f₁≤f_res=≤0.5f_sw　　 （2.22）

此外，LCL滤波器中电感L₁和L₂的比值设定在3～6之间比较合适，同时应尽可能地满足LCL滤波器对开关频率附近高次谐波分量的衰减要求。另一方面，考虑到在整个系统设备中，无论从重量、体积还是成本来说，磁性材料都高于其他材料，应尽可能减小磁性材料所占的比重。和磁性材料相比，由于交流滤波电容体积较小、重量较轻而且成本也不是很高，因此，如果从成本、体积和重量等方面考虑，在设计LCL滤波器的参数时，应适当地增加电容值，进而减小电感值。

根据上述设计时的一些基本限制及要求，本文分别给出了250kW并网逆变器和500kW并网逆变器的LCL滤波器参数设计结果。对于250kW并网逆变器，LCL滤波器参数给定为L₁=0.48mH，L₂=0.16mH，C₁=110μF；对于500kW并网逆变器，LCL滤波器参数给定为L₁=0.24mH，L₂=0.08mH，C₁=220μF。此时LCL滤波器的谐振频率均为

f_res==1386Hz　　 （2.23）

均满足LCL滤波器谐振频率维持在10倍基频和0.5倍开关频率之间设计要求。

2.3.2　直流支撑电容参数设计

在并网逆变器正常运行条件下，当并网逆变器的容量突增50%时，直流侧电压（450～820V）最大波动在t=200μs的时间间隔内应小于5%，则计算直流支撑电容如下

　　 （2.24）

由此可得，对250kW逆变器来说，直流支撑电容（直流电压为450V时）为

C≥==2532μF　　 （2.25）

对于500kW逆变器来说，直流支撑电容（直流电压为450V时）为

C≥==5064μF　　 （2.26）

以单个电容值为680μF、耐压值为1000V的直流电容为例，由于并网逆变器直流输入电压通常情况下介于450～820V之间，对于250kW逆变器，直流支撑电容C可选用不少于3个直流电容并联而成；而对于500kW逆变器，直流支撑电容C可选用不少于8个直流电容并联而成。

为了直观比较，表2.2分别给出了250kW逆变器和500kW逆变器的LCL滤波器及直流支撑电容参数。

由表2.2可以看出，LCL滤波器总的电感值与并网逆变器的额定容量成反比，而滤波电容值与并网逆变器的额定容量成正比，即随着并网逆变器额定容量的逐渐增大，LCL滤波器总的电感值应逐渐减小以降低阻抗压降，滤波电容值应逐渐增大以维持吸收的基波无功功率。