一种电流型并网逆变器用磁集成Trap-CL滤波器

一种电流型并网逆变器用磁集成trap-cl滤波器
技术领域：
1.本发明所涉及的一种电流型并网逆变器用磁集成trap-cl滤波器，属于功率变换滤波技术。


背景技术：

2.近年来，随着人们对电力需求的不断增长和传统不可再生能源对环境污染愈发严重，清洁可再生新能源替代传统化石能源迫在眉睫，越来越多的可再生能源发电被并入电网。在可再生能源中，光伏发电比例显著增加，但环境和天气的影响，其随机性和间歇性较强，为了更好的提高光伏利用率，分布式光伏发电系统成为了当前的研究热点之一。
3.电流型逆变器由于其具有单级升压逆变的功能，在分布式光伏并网发电系统中得到了广泛应用，然而这类变换器的输出滤波器体积和重量占比大，为了提高分布式光伏并网发电系统的功率密度、减小体积重量、降低成本，积极寻求一种电路简单、体积小、重量轻、滤波效果好、成本低的电流型并网逆变器的滤波器具有重要的理论和实际意义。


技术实现要素：

4.本发明目的是提供一种电路简单、体积小、重量轻、滤波效果好、成本低的电流型并网逆变器的滤波器。
5.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案在于：
6.所述的磁集成trap-cl滤波器是由两个滤波电容cf、c
t
和一个磁集成电感构成，包括一个输入端口和一个输出端口；其中，磁集成电感的两个绕组n1和n2在同一磁芯上顺向绕制，自感分别为l
t
和lf，互感为m；所述的磁集成trap-cl滤波器输入端先并接滤波电容cf，然后在滤波电容cf的一端依次串联一个trap滤波器和一个l滤波器，trap滤波器由绕组n1和滤波电容c
t
并联构成，其陷波频率为滤波电容cf与电感绕组n2构成了一个cl滤波器，其截止频率为该电路将传统的cl滤波电路和trap陷波滤波电路相结合，即在cl滤波器中串联了一个lc并联且谐振频率设置在开关频率的磁集成trap陷波滤波电路。
7.本发明实现了对特定频率即开关频率fs处的谐波高效滤除，其它频带谐波也被cl滤波器衰减；磁集成的采用进一步增加了滤波电感lf的电感量，减小了电感的体积，降低了整个电路的重量。相比与传统的cl滤波电路和高阶clcl滤波电路，本发明具有电路简单、元件尺寸小、滤波效率高、成本低等特点。应用在光伏发电场合，能衰减电流中所含的高次谐波，修整单独功率模块中经过微型逆变器后的电流波形，同时利用并联谐振的电路特性滤除谐波中占比大的特定频率谐波比如开关频率谐波，故具有重要的应用前景。
附图说明：
8.图1.磁集成trap-cl滤波器。
9.图2.解耦后磁集成trap-cl滤波器。
10.图3.磁集成trap-cl滤波器传递函数伯德图。
11.图4.传统的cl滤波器。
12.图5.传统的cl滤波器传递函数伯德图。
13.图6.clcl滤波器。
14.图7.clcl滤波器传递函数伯德图。
15.图8.磁集成trap-cl滤波器设计流程图。
16.图9.磁集成trap-cl滤波器电路变形。
具体实施方式
17.下面结合说明书附图及具体实例对本发明的技术方案做进一步描述。
18.一种电流型并网逆变器用磁集成trap-cl滤波器，如图1所示。该电路的特点是在传统cl滤波电路中磁集成一个lc谐振电路，构成一个磁集成trap-cl滤波电路，实现削减高频谐波和大幅度衰减特定频率谐波的功能。该滤波电路包括并联在输入电流端的电容cf、磁集成电感lf和电感l
t
、耦合电感m、陷波滤波器电容c
t
。
19.电流型并网逆变器用磁集成trap-cl滤波器由于存在耦合部分，画出解耦后等效电路如图2所示。为了更好地得到电流的传递函数，采用小信号模型并定义等效阻抗化简电路，可得
[0020][0021]zeq2
＝z
eq1
+z
lf+m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0022]
根据电流的分流规律，磁集成trap-cl滤波器输入电流i
in
与滤波器输入电流i
lf
之间的传递函数可从中获得，如下所示：
[0023][0024]
将各个电路元件参数代入(3)可得传递函数的完整表达式：
[0025][0026]
其中，
[0027]
a＝c
t
l
t
[0028]
b＝c
fct
l
t
(lf+m)-mc
fct
(l
t
+m)
[0029]
c＝c
t
l
t
+cf(lf+m)+cf(l
t
+m)
[0030]
同时磁集成trap-cl滤波器中，陷波滤波器的谐振频率可计算为
[0031][0032]
该滤波器的幅度伯德图如图3所示。由图可得，磁集成trap-cl滤波器具有三个谐振频率：即两个特征共振频率fr和陷波频率f
t
。根据伯德图的幅频特性可知，磁集成trap-cl滤波器有三个谐波衰减区间：在第一个特征共振频率fr之前，谐波衰减率几乎为0db/dec，
这意味着在此带宽的波形不会受到滤波器的影响，保证了基波的波形；在第一个特征共振频率fr和陷波频率f
t
之间，谐波衰减率为-40db/dec；特别在陷波频率f
t
，该频率处的谐波几乎完全衰减；经过第二个特征共振频率fr后，谐波衰减率又为-40db/dec。相较于传统的cl滤波电路如图4，幅频特性如图5，本发明有着同cl滤波电路的谐波衰减率，且对特定谐波的滤波效果更好。此外，控制第二个特征共振频率点fr到陷波频率f
t
前，可使得一部分区间的谐波衰减率变为-80db/dec。
[0033]
磁集成trap-cl滤波电路削减特定频率谐波，可将波形控制在一个符合电网标准的范围。但其电路结构导致了其谐波衰减率大多为-40db/dec。相比于一些高阶滤波器例如clcl滤波电路如图6，从它的伯德图图7可以得出谐波衰减率最高能够达到-80db/dec。但高阶传递函数使得整个电路更加复杂，更高阶的电路中往往存在两个以上的谐振频率点，这些谐振点会降低系统的整体稳定性，任何在谐振频率点附近施加的扰动都会被放大。为了防止共振问题，需考虑串联阻尼rd，而使用大阻尼电阻，放大比将显著降低，但滤波器的特性如带宽和衰减率又将发生变化。
[0034]
本发明还采用磁集成耦合cl和trap陷波滤波器。该设计在不增加额外器件的条件下，进一步增加了滤波电感lf的感量，感量的增加使得滤波器的体积可以进一步缩小。而且耦合对磁集成trap陷波滤波电路滤除特定频率谐波的功能影响极小，只需要根据设置的谐振频率重新选择电容的容值即可。
[0035]
综上，磁集成trap-cl滤波器有着自己独特的优势，在一些特定场合有非常好的应用前景。为了更良好的滤波效果，需要对磁集成trap-cl滤波器进行参数设计：
[0036]
首先，计算系统的基础阻抗z
base
，基础电感l
base
，基础电容c
base
如下
[0037][0038]
其中，vg是电网电压的均方根，pn是逆变器的额定功率，fg是电网频率。
[0039]
其次，便要求得滤波器输入电容cf，输入滤波器电容cf可根据流入滤波器输入电容器的电荷变化和最大电压纹波计算得出
[0040][0041]
作为辅助滤波器，陷波滤波器的电感设计应尽可能小，以减小在基波频率fg处的电压降落。但过小的电感设计会使得在开关频率fs处的带宽频率较窄，滤波器性能可能会降低。故在设计陷波滤波器参数时，应同时考虑基频电压降和带宽的问题，在此引入k
t
作为陷波滤波器电感与基础电感之比，于是l
t
可由下式得出
[0042][0043]
开关频率处的谐波在高次谐波中的占比极大。为了衰减这些谐波，应调整陷波滤
波器的lc谐振频率设置为开关频率，将这些值代入(5)可得
[0044][0045]
而想要求得cl滤波器滤波电感lf，可根据整个系统频率表达式反解得出。
[0046]
最后，考虑陷波滤波器在阻抗基频fn处的电压降落小于5％、k
t
和其理想值的误差应小于10％、耦合电感m应使得耦合系数k小于1等约束条件后，磁集成trap-cl滤波器的整个参数设计过程如图8所示。
[0047]
此外，在不影响该滤波器滤波性能的情况下，电路的拓扑结构也可以随实际情况发生变化，如图9所示。

技术特征：
1.一种电流型并网逆变器用磁集成trap-cl滤波器，其特征在于：所述的磁集成trap-cl滤波器是由两个滤波电容c
f
、c
t
和一个磁集成电感构成，包括一个输入端口和一个输出端口；其中，磁集成电感的两个绕组n1和n2在同一磁芯上顺向绕制，自感分别为l
t
和l
f
，互感为m；所述的磁集成trap-cl滤波器输入端先并接滤波电容c
f
，然后在滤波电容c
f
的一端依次串联一个trap滤波器和一个l滤波器，其中trap滤波器由绕组n1和滤波电容c
t
并联构成，其陷波频率为滤波电容c
f
与电感绕组n2构成了一个cl滤波器，其小信号模型截止频率为

技术总结
一种电流型并网逆变器用磁集成Trap-CL滤波器，由两个滤波电容C


技术研发人员：梁志浩 江加辉 孙浩然 马大壮 张韬 陈道炼
受保护的技术使用者：青岛大学
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8