储能PCS中的滤波器

电子发烧友网报道（文/黄山明）储能变流器（PCS）通常主要用于实现电能的转换和控制，在储能系统中起着关键作用。它需要对电池和电网（或负载）之间的双向功率流动进行高效、稳定的控制。

不过由于功率器件（如IGBT等）的开关动作会产生谐波。例如，当变流器进行高频开关操作来实现电能转换时，会产生大量的高次谐波。这些谐波如果不加以滤除，会对电网侧和储能系统本身造成危害。

对于储能系统，谐波可能会干扰储能系统内部的控制系统，影响BMS对电池状态的准确判断。因此，需要有滤波器来有效的滤除这些谐波，确保输出的电能质量符合电网接入标准，同时也保证储能系统内部的稳定运行。

滤波器可以作为一种有效的电磁干扰抑制手段。它能够衰减或阻止这些干扰信号的传播，保障储能PCS内部各电路之间的正常通信，同时也避免对周围环境中的其他设备造成电磁干扰。比如在敏感的通信线路和电源线路上安装滤波器，可以显著降低电磁干扰的影响程度。

此外，PCS在运行过程中，有可能会出现功率因数较低的情况。功率因数是衡量电气设备对电能利用效率的一个重要指标。当功率因数较低时，意味着有更多的无功功率在系统中流动。这会导致系统的损耗增加，并且降低了系统的输电能力。滤波器可以通过对无功功率进行补偿，调整电流和电压之间的相位关系，从而提高功率因数。

举个例子，在一些采用PWM控制的储能PCS中，滤波器可以优化调制后的电流波形，使电流和电压更加接近同相位，进而提高功率因数，减少无功损耗，提高整个储能系统的效率。

PCS中的各种滤波器

通常储能PCS的滤波器类型分为三种，如电感型滤波器、电容型滤波器以及LC滤波器（电感-电容滤波器）。

电感型滤波器主要基于电磁感应原理，也就是电感元件在交流电路中有阻碍电流变化的特性。当含有谐波的电流通过电感时，电感会对不同频率的电流产生不同程度的阻碍作用。

在储能PCS的输出电流中，基波频率（例如电网频率是50Hz或60Hz）的感抗相对较小，能够顺利通过电感。而高次谐波频率较高，其感抗就会很大。例如，对于一个10次谐波（假设基波频率为50Hz，10次谐波频率就是500Hz），如果电感量为1mH，根据公式计算其感抗会比基波的感抗大很多。这样，高次谐波就会在电感上产生较大的电压降，从而被衰减，达到滤除谐波的目的。

在储能 PCS 连接电网的输出端，电感型滤波器可以用来滤除变流器开关动作产生的高次谐波，使得注入电网的电流更加接近正弦波，符合电网接入要求。

电容型滤波器则是依托电容在交流电路中有隔直流通交流的特性，频率越高，容抗越小。

在含有多种频率成分的电路中，高频成分会更容易通过电容。例如，在储能PCS中，对于变流器内部产生的高频开关噪声，这些高频信号会通过电容 “旁路” 到地。假设在一个储能PCS的控制电路板上，有一个小容量的电容（如0.1μF）连接在电源引脚和地之间，对于高频干扰信号（比如频率为1MHz以上），其容抗很小，这些干扰信号就会通过电容被滤除，而不会影响电路的正常工作。

电容型滤波器在储能PCS的电源电路和控制电路中应用广泛。在电源电路中，可以滤除电源纹波，提高电源的稳定性；在控制电路中，可以防止高频电磁干扰信号对控制芯片等敏感元件的影响。

LC滤波器结合了电感和电容的特性。它由电感和电容组成不同的拓扑结构，如常见的π型和T型结构。以π型LC滤波器为例，其两端是电容，中间是电感。

当含有谐波的电流通过型LC滤波器时，首先经过第一个电容，高频成分被电容旁路一部分。然后，中间的电感对剩余的高频成分进一步产生阻碍作用，使谐波进一步衰减。最后，经过第二个电容再次对高频成分进行旁路，这样通过多级滤波，能够更有效地滤除谐波。在储能PCS中，这种LC滤波器可以用于对储能系统输出的交流电进行精细滤波，确保输出的电能质量更高，更符合电网接入标准。

小结

显然，滤波器在PCS中不可或缺，它主要用于滤除储能PCS中功率器件开关动作产生的谐波，避免谐波对电网侧造成电压畸变、干扰其他电气设备，同时防止其影响储能系统内部的控制系统；可以补偿无功功率，调整电流和电压的相位关系，提高功率因数，减少无功损耗，提升系统效率；还能抑制储能PCS内部各电子元件和电路工作时产生的电磁干扰，保障内部通信正常，避免干扰周围其他设备。