T型三电平逆变器LCL滤波器设计

2019.1 电力系统装备丨71

Electric System

2019年第1期

2019 No.1

电力系统装备

Electric Power System Equipment 能够正常地运作起来；第二，结合事故现场实际情况制定抢

修方案；第三，做好随时出动的准备。接到故障通知后，在白天在15min 、夜间在20min 内完成所需工具材料的整理并组织好抢修人员出发。3 结语

我国现在正处在经济飞速发展的时期，各项事业都在有条不紊的发展。在激烈的市场竞争中要想获得生存空间，那么就要不断地进行技术发展革新。我国电气化铁路的供电系统虽然取得了一定的发展和成就，但是不能沾沾自喜，更应该脚踏实地地一步步去总结进步，虚心向国外的先进技术学

习，同时自身也要进行改进。相信在未来几代人的共同努力下，我国的铁路事业一定会取得更大的进步。所以做好电气化铁路牵引供电系统的管理与维护的工作有着重要的意义，其可靠运行是我国铁路安全优质运输的必要保障。

参考文献

[1] 秦波.电气化铁路牵引供电系统研究现状及关键性技术[J].低碳世界，2018（2）：97-98.[2] 刘泉.电气化铁路牵引供电系统的管理与维护[J].自动化与仪器仪表，2018（2）：166-168，

171.

为了减小谐波电流对电网的影响，通常要在电网与逆变器之间加装滤波器。目前，针对两电平逆变器输出滤波器的研究居多，而专门针对三电平逆变器滤波器的研究较少。相比于L 型和LC 型滤波器，LCL 型滤波器具有良好的高频抑制特性，并且LCL 滤波器中电感及电容的参数设计对于逆变器的入网电流谐波质量、系统的稳定性具有非常重要的影响，因此，对于三电平逆变器LCL 型滤波器的研究是很有必 要的。

1 T 型三电平逆变器的基本工作原理

T 型三电平逆变器通过加入一条钳位支路实现了改进，具有拓扑结构简单、控制简单灵活和成本低等优点。其主拓扑结构如图1所示。

+

Udc

C1Qa2Qa3Qb3Qc3

Qb2Qc2

Qc4

Qc1

Li

A B C

C

Lg

Ua Ub Uc

O

Qb4

Qb1

Qa4

Qa1

C2N -图1 基于LCL 滤波器的T 型三电平逆变器拓扑结构

1.1 拓扑分析

以A 相进行工作方式分析，当Qa4导通，Qa1、Qa2、Qa3 关断时，A 相与N 点之间的电压为-Udc/2；当Qa2、Qa3导通，

［摘 要］三相三电平逆变器在高压大功率领域的应用越来越广泛，主要得益于其dv/dt 小、输出电压谐波小、EMI 小等优点。而逆变器交流侧LCL 滤波器的参数设计直接影响到逆变输出的滤波效果，并且关系到系统的尺寸和成本。本文在T 型三电平逆变器的基础上，给出了一种LCL 滤波器的参数设计方法。该设计方法结合逆变器的参数特点，确定了电感和电容的计算方法，并且给出了滤波器谐振频率的验证方法，最后以50 kW 并网逆变器为例进行了设计验证，结果证明了理论分析的正确性。

［关键词］T 型三电平逆变器；滤波器；设计［中图分类号］TM4　　　　　［文献标志码］A 　　　　　［文章编号］1001–523X （2019）01–0071–02

T-type Three-level Inverter LCL Filter Design

Gao Fan ，Dang Kai

［Abstract ］The application of three-phase three-level inverter in the field of high voltage and high power is more and more extensive, mainly due to its small dv/dt, small output voltage harmonics and small EMI. The parameter design of the AC side LCL filter of the inverter directly affects the filtering effect of the inverter output, and is related to the size and cost of the system. Based on the T-type three-level inverter, this paper presents a parameter design method for LCL filter. The design method combines the parameters of the inverter to determine the calculation method of the inductor and capacitor, and gives the verification method of the resonant frequency of the filter. Finally, the 50 kW grid-connected inverter is used as an example to verify the design. The result proves The correctness of theoretical analysis.

［Keywords ］T-type three-level inverter; filter; design T型三电平逆变器LCL滤波器设计

高 凡1，党 凯2

（1.西安特锐德智能充电科技有限公司，陕西西安 710077；2.西安西电电气研究院有限责任公司，陕西西安 710000）

电力系统

72丨电力系统装备 2019.1

Electric System

2019年第1期

2019 No.1

电力系统装备

Electric Power System Equipment

Qa1、Qa4关断时，A 相与N 点之间的电压为零；当Qa1导通，Qa2、Qa3、Qa4关断时，A 相与N 点之间的电压为Udc/2。由此可见，T 型三电平A 相输出具有三种电平，即-Udc/2、0和Udc/2。

1.2 逆变器换流过程分析

当T 型三电平逆变器正常工作时，以A 相为例进行换流过程分析。按照输出电压与电流的极型不同，逆变器的工作状态共分为4种。

（1）当输出电压为正且电流小于零时，Qa2常开，Qa4常断，Qa1与Qa3交替开通与关断。当Qa1开通时，电流经过Qa1流向直流侧；当Qa1关断时，Qa3导通，电流经过Qa3和Qa2流向直流侧中点N 。

（2）当输出电压为正且电流大于零时，Qa2常开，Qa4常断，Qa1与Qa3交替开通与关断。当Qa1开通时，电流经过Qa1流向交流侧；当Qa1关断时，Qa3导通，电流经过Qa2和Qa3流向直流侧中点N 。

（3）当输出电压为负且电流大于零时，Qa3常开，Qa1常断，Qa2与Qa4交替开通与关断。当Qa4开通时，电流经过Qa4流向交流侧；当Qa4关断时，Qa2导通，电流经过Qa2和Qa3流向直流侧中点N 。

（4）当输出电压为负且电流小于零时，Qa3常开，Qa1常断，Qa2与Qa4交替开通与关断。当Qa4开通时，电流经过Qa4流向直流侧；当Qa4关断时，Qa2导通，电流经过Qa3和Qa2流向直流侧中点N 。

2 T 型三电平逆变器LCL 滤波器设计

2.1 常用滤波器比较

L 型滤波器结构简单，易于实现，但其滤波效果较差，特别是高频时衰减速度慢，对高次谐波的抑制能力较差。LC 型滤波器较L 型滤波器在高次谐波的抑制上有所改善，但是其存在高频谐振问题，谐振电流会对电网质量造成影响。

LCL 是三阶无阻尼系统，该系统对高次谐波的抑制效果非常明显，能够以-60 db/dec 的速度衰减。但是需要注意的是，如 果不加入阻尼环节，该滤波器也有高频谐振问题。如果不考虑寄生电阻，其入网电流与输入电压之间可得出传递函数为：

g 31212s 1(s)()s

i I U L L Cs L L =++˄˅

（1）2.2 LCL 滤波器设计

2.2.1 LCL 设计总条件

在LCL 设计过程中，虽然较大的电感量可以有效的抑制谐波并且减小电流的纹波，但是电感量过大会导致系统动态响应差，引起输出电压的跌落，影响系统稳定性，所以逆变

器输出电压V INV 、电感电压V L 和电网电压E g 应满足式（2）

。 V L ≤V INV -E g （2）

式（2）中，V L 为滤波器的总电感量L i +L g 之和，可得V L

的条件为：

i g E r

L L +≤

（3）

式（3）中，I r 为额定输出电流，f E 为网侧电压基波频率。通常LCL 中，滤波电容主要是吸收高频纹波电流，如果电容值过大则会使逆变器的无功功率消耗太多，降低功率因数。一般将电容C 上消耗的无功功率设定在额定功率的1%~5%之间，由此可得：

25%6E ph

P

C f E ≤⋅π （4）2.2.2 LCL 电感的设计

逆变侧电感L i 主要的作用是抑制逆变器输出电流纹波，

而纹波电流的大小也对电感L i 有直接的影响，所以在逆变侧电感设计过程中需要考虑：

min max

6dc sw

i V T L i =

∆ （5）

式（5）中，∆i max 为逆变器输出电流纹波最大值，T sw 为开关周期。

一般输出电流纹波取逆变器额定输出电流的15%~20%。并且考虑到直流分量引起的电感量跌落，逆变侧电感设计时需要留有1.3倍的裕量。

网侧电感的作用是将二阶滤波器升级为三阶滤波器，定义系数λ为逆变电感L i 和网侧电感L g 的比值，即： L i =λ·L g （6）

考虑滤波器发生谐振的情况下，一般系数λ会取3~5之间。

2.2.3 LCL 滤波器谐振频率验证

LCL 滤波器由于其自身的固有特性，谐振会在某个特定的频率出现，从而对滤波器的设计造成很大的影响。滤波器谐振频率计算如式（7）。

r f =（7）

在开关频率附近。通常可以根据式（8）来验证滤波器的频率范围是否合理。

10f g ≤f r ≤0.5f sw （8）

式中f g 为电网频率，f sw 为开关频率。

2.3 LCL 滤波器设计实例

设计一个T 型三电平，功率为50 kW 的光伏并网逆变器LCL 滤波器为例，对给出的LCL 滤波器参数设计方法进行验证，具体逆变器参数如表1所示。

表1 逆变器参数表

系统参数定义符号参数值单位输出功率P 50kW 直流母线电压U dc 1000V 开关频率f sw 20k Hz 电网相电压U ph 220V 电网频率f g 50Hz

交流电流纹波

∆I max

<20%

按照实际经验，选取电容C 上消耗的无功功率为额定功

率的3%，由式（4）计算电容的大小，电容C 取值20 μF ；由式（5）可得，LCL 滤波器逆变侧电感值最小为548.6 μH ，留1.3倍裕量并取整得720 μH ；根据逆变侧电感可以计算出网侧电感L g 的取值为240 μH ，其中系数λ为3。

按照上述LCL 滤波器的参数，经过计算，该谐振频率满足式（8）滤波器的频率范围。由此可见，上述LCL 滤波器的参数设计方法是符合要求的。3 结语

本文首先对T 型三电平逆变器拓扑结构基本工作原理进行了分析，其次对比了L 型、LC 型及LCL 型滤波器的优缺点，最后给出了LCL 型滤波器的参数设计方法，并且通过设计实例验证了该方法的正确性。由此可见，本文给出的设计方法是可行的，但是LCL 型滤波器自身的缺点也会给滤波效果带来一定的影响，所以，对于三电平逆变器输出滤波器的进一步研究是非常有必要的。

参考文献

[1] 李文超，张兴，刘芳，等.LCL 型并网逆变器谐振频率稳定域研究[J].电力电子技术，2016，50（1）：33-36.[2] 张前.LCL 型光伏并网逆变器控制技术的研究[D].辽宁工业大学，2018.[3] 阮新波，王学华，潘东华，等.LCL 型并网逆变器的控制技术[M].北京：科学出版社，2015.