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系统并网技术
★ 5.0
一种用于逆变器的高效高功率密度集成陷波-LCL滤波器
An Efficient High-Power-Density Integrated Trap-LCL Filter for Inverters
| 作者 | Neda Mazloum · S. Ali Khajehoddin |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 电压源转换器 陷波滤波器 磁集成 功率密度 谐波 |
语言:
中文摘要
摘要:为提高电压源变流器的功率密度,通常采用无源滤波器或被称为陷波滤波器的无源元件组合,其设计目的是阻断或旁路开关电流谐波,以满足电网要求。最近,研究人员对将陷波滤波器磁集成到LCL结构中进行了研究,从而降低了滤波器所需的电感值。本文提出了一种无需任何电气连接即可将陷波电感与变流器侧电感进行集成的新方法。因此,陷波电感无需承载工频电流,从而降低了传导损耗。这也使得能够使用尺寸小且磁芯损耗低的现代磁芯材料,进而进一步提高功率密度。该方法为将滤波器谐振极点设置在指定频率处提供了额外的自由度,并避免触发任何谐波。基于此方法,还可以在单个磁芯上耦合多个陷波器。本文推导了该滤波器的电路模型和频率响应,并阐述了设计步骤。针对一台500 W/110 V和一台5 kW/240 V的逆变器,利用有限元模拟和实验结果,将该滤波器与LCL滤波器及其他集成方法进行了全面比较。在所有符合IEEE519 - 2020标准的方案中,所提出的滤波器效率最高且尺寸最小。
English Abstract
To improve power density of voltage-source converters, passive filters or combination of passive components known as trap filters are normally used, which are designed to block or bypass switching current harmonics to meet grid requirements. Recently, researchers have investigated the magnetic integration of trap filters into LCL structure, reducing the filter required inductance. This article proposes a novel method of integrating the trap and converter-side inductances without any electrical connections. As a result, the trap inductance does not carry the line frequency current, reducing the conduction loss. This also enables the use of modern core materials with small sizes and low core loss, resulting in further power density improvements. This method offers an additional degree-of-freedom to locate the filter resonant poles in designated frequencies and avoid triggering any harmonics. Based on this approach, it is also possible to use multiple traps coupled on a single core. The circuit models and frequency response of this filter are derived, and the design procedure is demonstrated. A comprehensive comparison with LCL filters and other integration methods is performed using FEM simulations and experimental results for a 500 W/110 V and a 5 kW/240 V inverter. The proposed filter provides the most efficient and smallest size among all the scenarios that comply with IEEE519-2020 standard.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项集成陷波-LCL滤波技术对提升光伏逆变器和储能变流器的功率密度具有重要战略价值。该技术通过磁集成方式将陷波滤波器与变流器侧电感耦合,且无需电气连接,使陷波电感不承载工频电流,这一创新设计可显著降低传导损耗并减小滤波器体积。
对于阳光电源的产品线而言,该技术的应用潜力体现在多个维度。首先,在户用和工商业光伏逆变器领域,功率密度提升直接转化为产品竞争力——更小的体积意味着更低的物流成本和更灵活的安装方式。其次,该技术通过采用现代磁芯材料实现低磁芯损耗,与阳光电源追求高效率的产品理念高度契合,特别是在储能系统中,效率提升可直接改善系统经济性。论文验证的500W至5kW功率范围覆盖了户用储能的典型应用场景。
技术成熟度方面,该方案已通过有限元仿真和实验验证,且符合IEEE519-2020标准,具备工程化基础。多陷波耦合设计提供的额外自由度,使滤波器谐振极点配置更加灵活,这对应对不同电网环境的谐波抑制需求尤为重要。
然而,产业化应用仍需关注几个挑战:磁集成结构的热管理设计、批量生产的一致性控制、以及在更高功率等级(如阳光电源主力的组串式和集中式逆变器)下的扩展性验证。建议阳光电源研发团队深入评估该技术在100kW以上功率等级的适用性,并探索与SiC等宽禁带器件的协同优化,以最大化功率密度提升潜力。