单相并网LCL型逆变器的改进设计方案
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员周林、解宝、郑晨等，在2017年第18期《电工技术学报》上撰文指出，随着越来越多的分布式能源接入电网，并网逆变器获得了更多的应用。并网逆变器能够成功实现并网运行的前提是其直流母线电压高于最小要求限值，这限制了并网逆变器的应用。为降低并网逆变器的应用门槛，提出一种单相并网LCL型逆变器的改进设计方案。
该设计方案通过将LCL型滤波器设计成一个有一定升压增益的模块，降低了前端逆变桥的输出电压要求，进而能够降低并网逆变器的直流母线电压限制，扩大了单相并网逆变器在低功率场合下的应用。首先分析传统LCL型单相并网逆变器直流母线电压受限制的原因，然后基于一种改进LCL型滤波器设计思路，利用其电压增益功能，给出一种详细的单相并网LCL型逆变器的改进设计方案，最后通过仿真和实验验证了提出的设计方案的有效性。
随着环境污染和化石能源危机的不断加剧，清洁的可再生能源得到了快速的发展，而在以光伏发电等新能源为代表的分布式发电系统中，并网运行是其中的一种重要运行方式，对于缓解地区电力系统的负荷压力，提高电力系统运行可靠性和经济性具有重要作用。
以分布式光伏发电系统为例，一般地，单相并网逆变器直流母线电压设为400V，对于一块最大输出功率为200W的太阳电池板，其最大功率点电压为24.3V，因此为了达到逆变器并网要求，至少需要17块上述相同的太阳电池板进行串联，而此时太阳电池阵列输出总的功率为3.4kW。
当要求逆变器降额运行或光伏发电系统总功率低于3.4kW时，就难以进行太阳电池板的配置实现光伏逆变并网运行。为此，作为一种可以独立作用于单个光伏组件的功率变换器——光伏微型逆变器，得到了迅速发展和广泛地关注并受到人们的青睐。
微型逆变器比较成熟的方案主要包括基于高频变压器的单级反激式逆变器和基于高增益DC-DC变换器的多级式逆变器。多级式微型逆变器电路结构复杂、所需元器件较多且能量转换次数多，整体效率降低，相较而言，单级反激式逆变电路具有结构简单、元器件数量少等优点。
但以反激式变换器为基础的逆变器工作在断续状态，开关管承受的电压和电流应力相对较大，会造成较高的开关损耗。反激变换器的变压器需要起到能量的存储和转换作用，在能量转换的过程中，通常小变压器将导致系统有5%的能量损耗，有时甚至更高。单级反激式微型逆变器中的DC-DC电路需要同时实现升压和正弦电流调制的功能，控制比较复杂。
文献[9]基于单相单级光伏LCL型并网逆变系统，提出了一种改进的LCL型滤波器设计思路，目的是消除逆变器直流侧电压限制，扩大光伏发电系统的应用场合，但其重点关注了逆变器并网电流的控制，没有给出正确且详细的设计方案。
基于此，本文对文献[9]中的设计进行了改进，提出了一种单相并网LCL型逆变器的改进设计方案，该设计方案能够降低单相并网逆变器的直流母线电压限制，扩大并网逆变器的应用场合。
图1 单相并网LCL型逆变器主电路拓扑结构
图7 单相并网逆变器实验系统
结论
针对目前并网逆变器的高直流母线电压限制，本文提出了一种单相并网LCL型逆变器的改进设计方案，所得结论如下：
1）传统LCL型单相并网逆变器直流母线电压受到限制的原因是单相全桥逆变电路的直流电压利用率为一有限常数，且没有发挥LCL型滤波器的电压变换能力。
2）本文提出的单相并网LCL型逆变器改进设计方案，能够在不改变电路拓扑，不影响滤波器效果的情况下，降低逆变器直流母线电压的限制，实现较低直流母线电压下的逆变器并网运行。
3）仿真和实验分别验证了本文所提出的单相并网LCL型逆变器改进设计方案的有效性。