CN104953591A - 一种基于三绕组变压器的llcl型滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，包括：滤波电容C；三绕组变压器，三绕组变压器中的第一绕组L₁与并网逆变器的输出端相连，第二绕组L₂与电网相连，第三绕组L₃与滤波电容C串联连接。其工作原理为：基于三绕组变压器的LLCL型滤波器对并网逆变器的输出电流滤波，同时改变并网逆变器的输出电压，使其与电网电压相匹配。上述技术方案中，用一个三绕组变压器的三个等效电感代替现有技术中三个独立、分散的电抗器的电感，以此来简化现有技术中LLCL型滤波器的结构、减小其体积，并降低成本。

Description

一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器。

背景技术

当前，为了减小并网逆变器对电能质量的影响，在利用变压器对入网电压进行调压之前，通常先利用滤波器降低入网电流中的谐波含量。而滤波器的设计需要根据其制造成本、功率损耗和滤波效果进行综合考虑。

现有技术中的LLCL型滤波器，是在传统LCL型滤波器的电容支路中串联一个电感，这个电感和电容组成的串联谐振频率与开关频率相同。与LCL型滤波器相比较，LLCL型滤波器能更好衰减开关频率附近的谐波。

目前的LLCL型滤波器主要由独立部件组成，需要三个独立的电抗器和一组电容器，如图1所示，图中L₁、L₂和L₃分别为三个独立电抗器的电感，C为滤波电容。滤波器对并网逆变器的输出电流进行滤波，然后再利用另外的变压器对滤波后的电压进行调压，使其与电网的电压匹配。由于滤波器是由相互独立、分散的三个电抗器组成，导致其体积庞大、结构复杂、成本较高。

基于目前LLCL型滤波器的缺陷，有必要提出一种新的LLCL型滤波器。

发明内容

本发明提供了一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，以克服现有技术中LLCL型滤波器体积庞大、结构复杂、成本较高的技术缺陷。

为此，本发明提供一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，包括：

滤波电容C；

三绕组变压器，所述三绕组变压器中的第一绕组L₁与并网逆变器的输出端相连，第二绕组L₂与电网相连，第三绕组L₃与所述滤波电容C串联连接；

其中，所述基于三绕组变压器的LLCL型滤波器对所述并网逆变器的输出电流滤波，同时将所述并网逆变器的输出电压调压，使与所述电网的电压相匹配。

上述基于三绕组变压器的LLCL型滤波器中，可选的，所述滤波电容C包括三组电容，所述三组电容中的每组电容分别与所述第三绕组L₃中的三个绕组一一对应串联连接。

上述基于三绕组变压器的LLCL型滤波器中，可选的，所述第三绕组L3与所述滤波电容C的谐振频率等于开关频率f_sw。

上述基于三绕组变压器的LLCL型滤波器中，可选的，所述第三绕组L₃的电感值

上述基于三绕组变压器的LLCL型滤波器中，可选的，所述LLCL型滤波器的谐振频率为 $f_{res}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\left(\right(\frac{L_1{L}_2}{L_1+L_2})+L_3)C}}.$

上述基于三绕组变压器的LLCL型滤波器中，可选的，所述第三绕组L3的额定电压为其中，U_1N为所述第一绕组L1的额定电压，I_1N为所述第一绕组L1的额定电流。

上述基于三绕组变压器的LLCL型滤波器中，可选的，所述第一绕组L1的额定容量为其中，P_N为所述并网逆变器的额定容量。

上述基于三绕组变压器的LLCL型滤波器中，可选的，所述第二绕组L₂的额定容量为P_2N＝P_1N。

上述基于三绕组变压器的LLCL型滤波器中，可选的，所述第三绕组L₃的额定容量为P_3N＝2πf₁C(U_3N)²。

以上本发明提供的基于三绕组变压器的LLCL型滤波器中，三绕组变压器中的第一绕组与并网逆变器的输出端相连，第二绕组与电网相连，第三绕组与滤波电容串联连接；在实际应用中，本发明提供的基于三绕组变压器的LLCL型滤波器既能够将并网逆变器的输出电压调压，使其与电网电压匹配，同时又能对并网逆变器的输出电流滤波(也就是基于三绕组变压器的LLCL型滤波器集调压和滤波为一体，因此，不需要添加额外的滤波器)。上述技术方案中，用一个三绕组变压器的三个等效电感代替现有技术中三个独立、分散的电抗器的电感，以此简化了现有技术中LLCL型滤波器的结构，显著减小了滤波器体积，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中LLCL型滤波器的结构示意图；

图2为本发明所提供的一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器实施例1中LLCL型滤波器的结构示意图；

图3为现有技术中LLCL型滤波器的单相等效电路示意图；

图4为本发明所提供的一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器实施例1中LLCL型滤波器的三绕组变压器的等效电路示意图；

图5为本发明所提供的一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器实施例1中LLCL型滤波器的三绕组变压器的绕组布置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，以解决现有技术中LLCL型滤波器体积庞大、结构复杂、成本较高的技术问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

需要提前说明的是，本发明中，对于L₁而言，在第一绕组L₁中，其代表绕组本身，同时，L₁也可代表第一绕组对应的等效电感值或者是等效电感。以此类推，对于L₂、L₃也有类似的意义。

参考图2示出了本发明所提供的一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器实施例1的电路结构示意图，本发明中，基于三绕组变压器的LLCL型滤波器(以下简称LLCL型滤波器)具体可以包括如下内容：

滤波电容C；

三绕组变压器，所述三绕组变压器中的第一绕组L₁与并网逆变器的输出端相连，第二绕组L₂与电网相连，第三绕组L₃与所述滤波电容C串联连接；具体地，所述滤波电容C包括三组电容，所述三组电容中的每组电容分别与所述第三绕组L₃中的三个绕组一一对应串联连接。所以，三绕组变压器具有改变并网逆变器输出电压和抑制逆变器输出电流谐波的双重功能。

本发明中，为了使基于三绕组变压器的LLCL型滤波器的频率特性与理想LLCL型滤波器的频率特性相一致，在设计三绕组变压器时使第三绕组L₃的电感与电容C产生的谐振频率等于开关频率f_sw，其中，基于此，则所述第三绕组L₃的电感值

本发明中，上述LLCL型滤波器是一个集滤波功能和调压功能为一体的装置，其在实际应用中的工作原理如下：

本发明提供的LLCL型滤波器中，由三绕组变压器的三个等效电感L₁、L₂、L₃与滤波电容C构成的滤波器，其频率特性与理想LLCL型滤波器的频率特性相一致(LLCL型滤波器的谐振频率为)，其既能够对并网逆变器的输出电流的波，同时又能将并网逆变器的输出电压调压，使其转换为与电网电压相匹配。本发明提供的LLCL型滤波器的原理可应用于单相或三相并网逆变器中。

上述技术方案中，由一个三绕组变压器的三个等效电感代替现有技术中三个独立、分散的电抗器的电感，以此简化了现有技术中LLCL型滤波器的结构，显著减小了滤波器体积，降低了成本。同时，由于本发明提供的基于三绕组变压器LLCL型滤波器也能将并网逆变器的输出电压调压，进一步还有效降低了整个系统成本。

以上主要是针对本发明实施例所提供的LLCL型滤波器的硬件结构及相互之间的连接关系进行叙述的，以下对LLCL型滤波器的设计思路(即对LLCL型滤波器中各器件的参数选定思路)进行叙述：

1、现有技术中用三个独立的电抗器、电容器构成的LLCL型滤波器，其单相等效电路如图3所示。由图3可得并网电流i₂与并网逆变器输出电压u_o之间的传递函数为：

$G_1\left(S\right)=\frac{i_2\left(s\right)}{u_o\left(s\right)}=\frac{L_3{\mathrm{CS}}^2+1}{\[L_1{L}_{2}C+(L_1+L_2)L_{3}C\]S^3+(L_1+L_2)S}---\left(1\right)$

2、由式(1)可看出，要使由三绕组变压器构成的LLCL型滤波器和用独立的电抗器、电容器构成的常规LLCL型滤波器有相同的频率特性，必须使三绕组变压器的一个绕组的等效电感为L₁(对应第一绕组L₁)，第二个绕组的等效电感为L₂(对应第二绕组L₂)，第三个绕组的等效电感为L₃(对应第三绕组L₃)，并且在三绕组变压器的绕组排列中，选择位于中间的绕组的等效电感为L₃，即使得等效电感L₃与滤波电容C构成串联谐振电路，谐振频率为逆变器开关频率f_sw。具体地，三绕组变压器中，与并网逆变器输出端连接的绕组的等效电感为L₁，与电网连接的绕组的等效电感为L₂，与滤波电容C连接的绕组的等效电感为L₃。

3、第三个绕组的等效电感L₃与滤波电容C产生的谐振频率等于开关频率f_sw，即 $f_{sw}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{3}C}}.$

4、忽略绕组电阻，将三绕组变压器二、三次绕组的各量都折算到一次绕组，可得三绕组变压器的等效电路如图4所示。图中，各绕组的电抗分别为

X₁＝ωL₁＝ω(L₁₁-M'₁₂-M'₁₃+M'₂₃)

X'₂＝ωL₂＝ω(L'₂₂-M'₁₂-M'₂₃+M'₁₃)

X'₃＝ωL₃＝ω(L'₃₃-M'₁₃-M'₂₃+M'₁₂)   (2)

式中，L₁₁、L'₂₂、L'₃₃是各绕组的全自感，M'₁₂、M'₁₃、M'₂₃为绕组的互感。式(2)说明，等效电抗X₁、X'₂、X'₃不仅与L₁₁、L'₂₂、L'₃₃的大小有关，还与M'₁₂、M'₁₃、M'₂₃的大小及其组合有关。

5、根据电磁学原理，在绕组高度相同的情况下，两个绕组间的距离愈大，相互间的磁耦合愈弱，互感就越小。对于三绕组变压器，绕组布置如图5所示。根据电机学原理分析，位于中间的绕组其等效电抗最小，在设计合理时，可使其等效电抗为所需要的电抗。

6、根据以上分析，选择中间的绕组与滤波电容器C连接。在变压器绕组参数计算及绕组结构设计时，使位于中间的绕组等效电感接近为L₃。另两个绕组的等效电感分别为L₁及L₂。L₁、L₂及L₃和C组成LLCL型滤波器。

7、并网逆变器的输出电流纹波的大小主要取决于L₁的值。在额定负载下，电感(L₁+L₂)上的压降应小于额定电压的10％。计算L₁的公式为：

$L_1\≥\frac{U_{dc}}{4\sqrt{3}\×{\mathrm{\Δi}}_{max}{f}_{sw}}---\left(3\right)$

式(3)中，U_dc为并网逆变器直流侧电压，Δi_max为L₁中电流纹波，f_sw为并网逆变器开关频率。

8、滤波电容C的取值取决于所消耗的无功功率，一般应小于额定容量的5％。典型的计算公式为：

$C\≤=\frac{0.05\×P_N}{3\×2\mathrm{\π}\×{\left(\frac{U_{1N}}{\sqrt{3}}\right)}^2\×f_1}---\left(4\right)$

式(4)中，P_N为并网逆变器额定功率，U_1N为并网逆变器输出交流线电压，f₁为基波频率。

9、谐振电感L₃的选择

在已知谐振电容C时，根据式可得：

$L_3=\frac{1}{C{\left(2{\mathrm{\πf}}_{sw}\right)}^2}---\left(5\right)$

10、在LLCL型滤波器中，L₃和C构成谐振电路，使开关频率附近的电流谐波满足入网要求。因主要的谐波将出现在二倍开关频率附近，L₂取值依据为：

$\frac{max\left(\right|J_1\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\α}\right)|,|J_3\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\α}\right)|,|J_5\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\α}\right)\left|\right)}{{\mathrm{\πI}}_N/\left|G_1\left(j2{\mathrm{\ω}}_s\right)\right|u_{dc}}\≤0.3\%---\left(6\right)$

式(6)中，J₁(2πα)，J₃(2πα)和J₅(2πα)为第一类贝塞尔函数在频率(2ω_s+ω₀)、(2ω_s+3ω₀)以及(2ω_s+5ω₀)处的谐波积分。工程上的计算公式为:

L₂＝(0.15～0.25)L₁   (7)

11、LLCL型谐振频率为：

$f_{res}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\left(\right(\frac{L_1{L}_2}{L_1+L_2})+L_3)C}}---\left(8\right)$

12、三绕组变压器绕组额定电压及等效电感设计

三绕组变压器中，与并网逆变器输出端连接的绕组的额定电压设计为U_1N，与并网逆变器输出的额定电压相同，绕组的等效电感设计为L₁。与电网连接的绕组的额定电压设计为U_2N，与电网的额定电压相同，绕组的等效电感设计为L₂。与滤波电容C连接的绕组的等效电感设计为L₃。绕组的额定电压设计为U_3N，按下式计算：

$U_{3N}=\sqrt{3}\left|\frac{U_{1N}}{\sqrt{3}}-{\mathrm{j\ωL}}_1{I}_{1N}\right|---\left(9\right)$

式(9)中，I_1N为并网逆变器输出的额定电流。

13、三绕组变压器中，与并网逆变器输出端连接的绕组的额定容量设计为与并网逆变器的额定容量相同。与电网连接的绕组的额定容量设计为P_2N＝P_1N。与滤波电容C连接的绕组额定容量P_3N设计为：

P_3N＝2πf₁C(U_3N)²   (10)

以上对本发明所提供的一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，其特征在于，包括：

滤波电容(C)；

三绕组变压器，所述三绕组变压器中的第一绕组(L₁)与并网逆变器的输出端相连，第二绕组(L₂)与电网相连，第三绕组(L₃)与所述滤波电容(C)串联连接；

其中，所述基于三绕组变压器的LLCL型滤波器对所述并网逆变器的输出电流滤波，同时改变所述并网逆变器的输出电压，使其与所述电网的电压相匹配。

2.如权利要求1所述的基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，其特征在于，所述滤波电容(C)包括三组电容，所述三组电容中的每组电容分别与所述第三绕组(L₃)中的三个绕组一一对应串联连接。

3.如权利要求2所述的基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，其特征在于，所述第三绕组(L3)与所述滤波电容(C)的谐振频率等于开关频率f_sw。

4.如权利要求3所述的LLCL型滤波器，其特征在于，所述第三绕组(L₃)的电感值

5.如权利要求4所述的基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，其特征在于，所述LLCL型滤波器的谐振频率为

6.如权利要求1至5任意一项所述的基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，其特征在于，所述第三绕组(L3)的额定电压为，其中，U_1N为所述第一绕组(L1)的额定电压，I_1N为所述第一绕组(L1)的额定电流。

7.如权利要求6所述的基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，其特征在于，所述第一绕组(L1)的额定容量为其中，P_N为所述并网逆变器的额定容量。

8.如权利要求7所述的基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，其特征在于，所述第二绕组(L₂)的额定容量为P_2N＝P_1N。

9.如权利要求8所述的基于三绕组变压器的LLCL型滤波器，其特征在于，所述第三绕组(L₃)的额定容量为P_3N＝2πf₁C(U_3N)²。