電力電子變壓器輸入級LCL濾波研究

胡慧慧，王魯楊，張 浩，陳 韜，吳承天

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的不斷發(fā)展，對電網(wǎng)穩(wěn)定、安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求越來越高.傳統(tǒng)變壓器的體積較大，空載損耗量較高，功能比較單一，投入電力系統(tǒng)會帶來很大的勵磁涌流.［1］在智能電網(wǎng)中，電力電子變壓器是重要的支撐設(shè)備，有較好的發(fā)展前景.它由實(shí)現(xiàn)磁耦合的高頻變壓器本體與電力電子變換拓?fù)錁?gòu)成，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的能量傳遞以及電壓變換，其突出的特點(diǎn)是:可以靈活地控制變壓器一次側(cè)電流、二次側(cè)電壓及功率因數(shù).［2］目前，國內(nèi)大多數(shù)電力電子變壓器(Power Electronic Transformer，PET)的輸入級均采用基于L型濾波器的整流器，但在功率等級較高的整流器中，L型濾波器濾波效果不夠理想.鑒于LCL濾波器對高頻分量呈高阻抗特性，對高頻諧波電流有很大的衰減作用，濾波效果理想，本文提出了輸入級采用LCL濾波的電力電子變壓器.

1 PET各級電路控制方案

1.1 PET的基本結(jié)構(gòu)

PET的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為交流—交流—交流變換器和交流—直流—交流—直流—交流變換器.前者的結(jié)構(gòu)雖簡單，但可控性不高，副邊電壓波形基本上是對原邊電壓波形的還原，僅幅值有差異，不能有效地控制流經(jīng)PET的潮流;后者的結(jié)構(gòu)雖復(fù)雜，但控制策略完善，能夠保證原副邊具有良好的電壓電流波形，原邊功率因數(shù)可控，實(shí)用性較高.

本文采用的結(jié)構(gòu)如圖1所示，［3］輸入級采用三相電壓型整流器，隔離級采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)升降壓與隔離作用，輸出級采用三相電壓型全橋逆變器.

圖1 PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 輸入級設(shè)計(jì)

1.2.1 基于L濾波器的整流器的局限性

對于高性能的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)整流器，交流側(cè)電抗器是一個至關(guān)重要的因素.這是由于交流側(cè)電感不僅影響整流器電流環(huán)的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)，還容易對輸入電網(wǎng)引入的電壓諧波進(jìn)行干擾.

單電感L的整流器雖然控制簡單，但其開關(guān)頻率通常在2～15 kHz，會引入開關(guān)頻率及其整數(shù)倍處的諧波，這種諧波會通過網(wǎng)側(cè)電感注入電網(wǎng)，從而對敏感性負(fù)荷產(chǎn)生電磁干擾并且造成一定的損耗.［4］

在高電壓和大功率的場合通常使用容量較大的整流器，為了減小損耗與電磁干擾，需要使用較低的開關(guān)頻率，然而因?yàn)檎髌髟赑WM調(diào)制的時候會引入開關(guān)頻率及其整數(shù)倍處的諧波，如果選用的開關(guān)頻率較低，那么產(chǎn)生的諧波頻率也較低，若這時仍采用單電感L濾波則不能達(dá)到理想的濾波效果.

1.2.2 基于LCL濾波器的輸入側(cè)整流器

為了克服上述不足，本文提出了3階LCL濾波器來取代原來的單電感L濾波器.

與L濾波器相比，LCL濾波器的阻抗值與流過的電流頻率成反比，頻率越高，阻抗則越小，從而濾除電流中的高頻諧波，達(dá)到理想的濾波效果，在濾波作用相似的情況下，LCL濾波器的阻抗較小，可減小裝置的體積，所以LCL濾波器在大功率場合有廣闊的應(yīng)用前景.但由于LCL濾波器的3階傳遞特性存在諧振的可能，這將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而有必要研究控制策略來增強(qiáng)其穩(wěn)定性.為此，本文采用三閉環(huán)控制策略，外環(huán)為直流側(cè)電壓控制環(huán);中環(huán)為網(wǎng)側(cè)電流控制環(huán);內(nèi)環(huán)為電容電流控制環(huán).

1.2.3 三閉環(huán)控制策略研究

輸入級的控制目標(biāo)是網(wǎng)側(cè)電流正弦、實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行和整流輸出直流電壓可控.三閉環(huán)控制策略的原理如圖2所示.

圖2 三閉環(huán)控制策略原理示意

1.3 中間隔離級設(shè)計(jì)

中間隔離級從外部特性看是一級DC/DC變換器.這一級能實(shí)現(xiàn)隔離及直流升降壓功能.

文獻(xiàn)［5］提出對PET的隔離級施行占空比控制，這樣不但會增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，也會引入不必要的諧波.本文直接采用開環(huán)控制.這種控制方法方便解決同步問題，且控制系統(tǒng)簡單.

1.4 輸出級設(shè)計(jì)

輸出級由三相電壓型逆變電路和濾波單元構(gòu)成，三相逆變電路的作用是將副邊單相整流電路輸出的低壓直流電轉(zhuǎn)化為三相工頻交流電，采用的控制策略如圖3所示.

圖3 負(fù)載側(cè)逆變器控制原理示意

2 仿真研究

在Matlab/Simulink中搭建輸入級基于LCL濾波且三閉環(huán)控制的PET系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示.

電網(wǎng)側(cè)參數(shù)設(shè)置如下:三相對稱電源電壓峰值em=1 414 V，電網(wǎng)頻率f0=50 Hz，LCL濾波器L1=1 mH，L2=0.5 mH，C=15 μF.高壓直流側(cè)參數(shù)設(shè)置如下:Cdc=4 700 μF，直流側(cè)設(shè)定電壓4 000 V.高頻變壓器參數(shù)設(shè)置如下:原、副邊的電壓變比為4 000 V∶600 V.低壓直流側(cè)參數(shù)設(shè)置如下:濾波電感10 mH，濾波電容3 500 μF，直流側(cè)設(shè)定電壓600 V.負(fù)載側(cè)參數(shù)設(shè)置如下:濾波電感1 mH，濾波電容33 μF，負(fù)載額定線電壓380 V，負(fù)載電阻 3.63 Ω.

圖4 PET的整體仿真模型

圖5為L濾波時的電網(wǎng)側(cè)A相電壓、電流波形，圖6為LCL濾波時的仿真波形.

由圖6a和圖6b可以看出，輸入級基于LCL濾波器的整流器對網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)行整流，得到的直流側(cè)電壓為4kV.并使得網(wǎng)側(cè)電流為正弦波，且與電壓同相位，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1.

由圖6c可以看出，輸出級經(jīng)過三相電壓型逆變器，輸出穩(wěn)定的低壓供給負(fù)載.

圖5 L濾波電網(wǎng)側(cè)A相電壓和電流波形

圖6 LCL濾波時的仿真波形

對圖6c中的負(fù)載A相電壓波形進(jìn)行FFT分析，總諧波畸變率為3.5%，可見提供給負(fù)載的電壓紋波較小，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載側(cè)電壓正弦化.

分別對采用L濾波和LCL濾波時的網(wǎng)側(cè)A相電流進(jìn)行FFT分析，前者的總諧波畸變率為7.72%，后者的總諧波畸變率僅為2.29%.由此可以看出，電力電子變壓器輸入級采用LCL濾波器，網(wǎng)側(cè)電流紋波小，電流諧波得到了有效衰減，濾波效果理想，表明該方法提升了電力電子變壓器的性能.

3 結(jié)語

本文提出了輸入級采用LCL濾波器的電力電子變壓器.由于LCL濾波器是3階系統(tǒng)，自身存在諧振問題，容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此本文采用了直流側(cè)電容電壓、網(wǎng)側(cè)電流和電容電流的三閉環(huán)控制策略.仿真結(jié)果表明，采用LCL濾波器有效抑制了網(wǎng)側(cè)電流中的諧波成分，獲得了較好輸出性能，減小了裝置對電網(wǎng)的污染.

［1］ 黃貽煜，毛承雄，陸繼明，等.電力電子變壓器在輸電系統(tǒng)中的控制策略研究［J］.繼電器，2004，32(6):35-39.

［2］ KANG M，ENJETI P N，PITEL I J .Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1999，14(6):1 133-1 141.

［3］ MANJREKAR M D，KIEFERNDORF R，VENKATARAMANAN G.Power electronic transformers for utility applications［C］∥Proceedings of the 2000 IEEE Industry Applications Conference.Rome:IEEE，2000(4):2 496-2 502.

［4］ LISERRE M，BLAABJERGF，HANSENS.Designand control of an LCL-filter based three-phase active rectifier［J］ .IEEE Transactions on Industry Applications，2005，41(5):1 281-1 291.

［5］ TAKAO K，HIGASHINO S.Parallel operation of voltage source inverters［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1988，24(2):281-287.