可再生能源应用中9电平电压源逆变器的滤波器设计

在可再生能源的转换中，多电平逆变器（MLI）的突出优点已胜过通常使用的二电平逆变器。这是由于新颖的逆变器已克服大的限制条件并拥有本来的优点。变换器模块化的本质使有可能构成较小额定功率的电子开关，实现了大的功率容量。它还易于维护和具有合并的可能性。MLI增加的输出电平级数，能使输出谐波减到最小，且由于降低了系统的损耗，这将使输出滤波器的尺寸减小，实现较小的冷却系统，因而提高了总的系统效率。

最近已开发若干新的MLI拓扑，其中大部分是经过改进或由熟知的三个通用拓扑混合成的，这三个拓扑即：二级管箝位（DC）、蝶形电容器（FC）和级联的H-桥组成结构。根据逆变器的拓扑及其控制策略，设计了一个合适的输出功率滤波器以及逆变器电路和电网之间的界面，如图1所示。

由图1可知，滤波器形成可再生能源系统（RES）的一个组成部分。顾名思义，它的主要功能就是在任何系统的输出中消除和减轻不需要的信号。在电力系统领域和电力电子（PE）的非线性负载中，往往会将不需要的、被称为谐波的信号注入系统，这就是所谓的基波频率多级组合（2次、3次、4次等）。这些谐波对整个系统是有害污染，它将导致装置器件的过热及电动机的脉动转矩，因而影响到系统的性能和效率。由于非线性特性，包括某些电子设备的性能参数会引起谐波的产生。按照AC信号的1/4（quarter）波对称理论，在输出中，偶次谐波（2次、4次、6次等）均会相互抵消，剩下奇次谐波。

滤波器按照结构中所使用部件的型式（有源的或无源的），主要分类为有源滤波器和无源滤波器。由于部件的有效利用率及其价格便宜，大部分均采用无源滤波器，设计上并不复杂，且在有效执行所需求任务中容量较小。滤波器的设计程序（方法）很多，例如波纹（ripple）计算，选代算法及功率损耗优化等。

本文的目标是在级联H-桥9电平电压源逆变器的输出上，对四组无源滤波器消除THD的能力提出设计和比较。在此研究工作中，所考虑的滤波器为LC、LCL、和带串联与并联阻尼的LCL。通过预示绘图（bode plot）得到的频率响应曲线，对四种滤波器的稳定特性进行了分析。在消除所选低次谐波的过程中，本文等效于验证了选择谐波消除（SHE）技术的效果。故通过向上提升滤波器的截止频率，有利于实现较小尺寸的滤波器、电感器。