風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)LCL濾波器的分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

張 蓉，唐 婷

(1．西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031;2．成都工業(yè)學(xué)院 電子與電氣工程系，成都 610031)

近年來(lái)，隨著煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的日益枯竭和環(huán)境的不斷惡化，各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展的替代能源，而風(fēng)能以其豐富、分布廣泛、清潔并能緩和溫室效應(yīng)等特點(diǎn)，作為一種無(wú)污染的、可再生的新能源有著巨大的潛力。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中廣泛采用LCL濾波器，LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)和控制策略都較為復(fù)雜［1］，而且本身存在諧振問(wèn)題，一般在LCL濾波器的電容支路串聯(lián)阻尼電阻來(lái)抑制諧振。本文根據(jù)LCL濾波器的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合濾波原理，給出了一套參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并分析了阻尼電阻對(duì)系統(tǒng)的影響。在此基礎(chǔ)上，建立了200 kW帶LCL濾波器的三相PWM變流器［2－3］并網(wǎng)仿真模型，驗(yàn)證分析理論設(shè)計(jì)的正確性。

1 LCL濾波器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的交流電需先整流成直流電，再由變流器(Voltage Source Rectifier，VSR)逆變成工頻交流電。圖1是典型的基于PWM變流器的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖［1］。

圖1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，網(wǎng)側(cè)變流器的開(kāi)關(guān)頻率為1～15 kHz，開(kāi)關(guān)頻率及其整數(shù)倍的高次諧波分量將對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，不利于電網(wǎng)的運(yùn)行。在功率等級(jí)較低的變流器中，開(kāi)關(guān)頻率較高，一般采用單L濾波器，通過(guò)增大電感值來(lái)抑制開(kāi)關(guān)頻率附近的高次諧波。但隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，基于效率和可靠性的考慮，變流器功率開(kāi)關(guān)的頻率比較小，一般要選擇較大的電感才能使網(wǎng)側(cè)電流滿(mǎn)足相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。而大電感一般較貴且制造困難，導(dǎo)致系統(tǒng)體積和成本增加，而且會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)定性。

與L濾波器相比，LCL濾波器使用較小的電感就能獲得很好的濾波效果，系統(tǒng)主電路如圖2所示。Lg、Rg為網(wǎng)側(cè)電感及其寄生電阻;L、R為變流器側(cè)電感及其寄生電阻;Cf為濾波電容;Rd為阻尼電阻;ea、eb、ec分別為三相電網(wǎng)的相電壓;iga、igb、igc分別為網(wǎng)側(cè)相電流，ia、ib、ic分別為變流器側(cè)相電流;C為直流母線支撐電容;Vdc為直流母線電壓。

圖2 帶LCL濾波器的并網(wǎng)變流器主電路圖

2 LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)

2．1 LCL濾波器的傳遞函數(shù)

為方便分析，假設(shè):1)電網(wǎng)電壓為三相對(duì)稱(chēng)的純正弦波;2)電感電容均為理想器件，不考慮飽和;3)開(kāi)關(guān)管均為理想器件，忽略死區(qū)時(shí)間。由圖2可得LCL濾波器單相等效電路圖如圖3所示，寫(xiě)出LCL濾波器傳遞函數(shù)為:

圖3 LCL濾波器單相等效電路圖

2．2 濾波器設(shè)計(jì)的限制條件

LCL濾波器的參數(shù)較多，各參數(shù)配合取值不同，對(duì)系統(tǒng)的影響也不同。具體的參數(shù)選擇需滿(mǎn)足一定的約束條件:1)濾波電容限制濾波電容的引入降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，一般電容吸收的無(wú)功功率不 能 超 過(guò) 系 統(tǒng) 額 定 有 功 功 率 的 5%［2］。2)濾 波 總 電 感 限 制:3)諧振頻率限制:10f≤fres≤0.5fsw，諧振頻率應(yīng)盡量避開(kāi)敏感頻段，如開(kāi)關(guān)頻率fsw及其整數(shù)倍頻段2fsw，3fsw等。其中，PN為額定功率;EN為電網(wǎng)電壓;總電感LT=Lg+L;Emp為電網(wǎng)相電壓峰值;Imp為電網(wǎng)相電流峰值;f為電網(wǎng)基波頻率。

2．3 濾波電感的選取

LCL濾波器的諧振頻率fres=ωres/(2π)=綜合考慮電流跟蹤和諧波要求，文獻(xiàn)［3］給出了網(wǎng)側(cè)電感的經(jīng)驗(yàn)公式為:

令Lg=rL。一般來(lái)說(shuō)，越大的總電感Lr，獲得的濾波效果越好。但是Lr過(guò)大影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。而且比值r越大，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率及其整數(shù)倍次諧波的衰減效果越好，但是也不能太大，通常選取2≤r≤10。

2．4 阻尼電阻的選取

為了抑制LCL濾波器本身存在的諧振，一般采取在電容支路串聯(lián)阻尼電阻的方法［4－5］。阻尼電阻的選擇需綜合考慮濾波效果、損耗以及系統(tǒng)穩(wěn)定性3個(gè)方面。阻尼值太大，不僅增大了系統(tǒng)損耗，濾波器的濾波效果就會(huì)變差;阻尼值太小，就會(huì)增大電流諧波畸變率，而且會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以，一般選擇諧振點(diǎn)電容阻抗的1/3為阻尼電阻值，即:

假設(shè)Rg=R=0，根據(jù)式(1)可以寫(xiě)出無(wú)阻尼電阻的傳遞函數(shù)為利用Matlab函數(shù)做出它們的Bode圖進(jìn)行比較，如圖4、5所示。

圖4 傳遞函數(shù)G1(s)的Bode圖

圖5 傳遞函數(shù)G2(s)的Bode圖

從圖4中可以看出，G1(s)的Bode圖上有2個(gè)尖峰，正是LCL濾波器的諧振點(diǎn)。但圖5中，這2個(gè)尖峰被削弱了，正是阻尼電阻的引入，有效地抑制了諧振，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)了。

3 仿真實(shí)例

圖6 直流母線電壓

給定參數(shù)如下:PN=200 kW;電網(wǎng)線電壓為690 V，頻率為50 Hz;開(kāi)關(guān)頻率fsw=5 kHz;直流側(cè)電壓Udc=1 100 V;支撐電容C=6 800 μF;由公式(2)算出網(wǎng)側(cè)電感為L(zhǎng)g=0．31 mH，取r=2，則變流器側(cè)電感L=0．62 mH。濾波電容取最大值的一半Cf=150 μF，則由公式(3)可計(jì)算出Rd=0．39 Ω;使用Matlab/simulink搭建仿真模型，仿真結(jié)果如下。

3．1 直流母線電壓

給定的直流母線電壓為1 100 V。如圖6所示，直流母線電壓在0．25 s后趨于穩(wěn)定，較快地跟蹤了給定電壓。

3．2 濾波前后電流波形比較

圖7為變流器側(cè)電流波形，即濾波前電流波形;圖8為網(wǎng)側(cè)電流波形，即濾波后電流波形。對(duì)比圖7、圖8可知，LCL濾波前，變流器側(cè)電流中諧波的主要分量為開(kāi)關(guān)頻率次及其整數(shù)倍次諧波，諧波含量THD為15．30%。經(jīng)LCL濾波后，明顯改善了網(wǎng)側(cè)電流波形，有效地衰減了開(kāi)關(guān)頻率倍次諧波，諧波諧波含量THD降為3．44%，濾波效果較好。

圖7 變流器側(cè)電流波形

圖8 網(wǎng)側(cè)電流波形

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了一套完整的LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并得出一組數(shù)據(jù)用于仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)仿真波形分析，證明參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性，并取得了良好的濾波效果。

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