風電系統(tǒng)網側LLCL 型濾波器特性分析及仿真研究

邵文權，張 毅，程 遠，楊亞鵬，王建波

(1．西安工程大學電子信息學院，西安市710048;2．國網陜西省電力科學研究院，西安市710048)

0 引 言

在全球生態(tài)環(huán)境惡化和化石能源逐漸枯竭的雙重壓力下，對新能源的開發(fā)利用和研究已成為各國關注的焦點。風電作為一種潔凈的綠色能源，有著優(yōu)化能源結構、改善生態(tài)環(huán)境、促進社會經濟可持續(xù)和諧發(fā)展等方面的優(yōu)勢［1］。隨著風電技術的不斷發(fā)展，我國電力系統(tǒng)中風電所占的比重越來越大［2-4］。風電系統(tǒng)中各類關鍵技術的研究成為熱點，如風電系統(tǒng)的低電壓穿越、變流器的控制策略優(yōu)化、變流器的降損降噪研究等［5-8］。風電系統(tǒng)中的變流器開關頻率相對較高，為了抑制風電系統(tǒng)變流器產生的高次諧波對電網的影響，目前在風電系統(tǒng)網側通常采用L 型和LCL型濾波器來抑制諧波注入電網［9］，但是這2 種濾波器對開關頻率附近的高次諧波抑制能力相對有限。因此研究適用于風電系統(tǒng)的新型濾波器拓撲結構及特性分析有利于進一步提高開關頻率附近諧波的抑制性能。

目前已有學者結合光伏發(fā)電系統(tǒng)濾波器的應用需求提出了LLCL 型濾波器的拓撲結構［10-11］及實現(xiàn)諧振尖峰抑制的控制策略［12-13］，并對LLCL 型濾波器單相并網逆變器在不同濾波電感組合情況下的損耗計算進行了分析［14］。LLCL 濾波器在光伏系統(tǒng)的相關研究成果為風電系統(tǒng)濾波器的優(yōu)化設計提供了重要的參考。

本文在風電系統(tǒng)網側采用LLCL 型濾波器，對比分析L 型、LCL 型和LLCL 型濾波器的幅頻特性，并定性分析這3 種濾波器對開關頻率附近諧波的抑制效果。結合濾波器參數(shù)約束條件，以最大限度濾除開關頻率附近諧波為目的，設計1 組LLCL 型濾波器的參數(shù)。實例仿真驗證表明，在濾波器逆變器側和網側電感總量相同的情況下，采用LLCL 型濾波器能更好抑制開關頻率附近的諧波。

1 風電系統(tǒng)結構模型

目前廣泛采用交直交變流環(huán)節(jié)實現(xiàn)風電并網，其結構模型如圖1。

圖1 風電系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of wind power system

逆變器工作時，開關器件將產生高頻諧波，這類諧波主要集中在開關頻率處及其整數(shù)倍處。電網中諧波的注入會嚴重影響電能質量，同時干擾系統(tǒng)內部及用戶端的各類敏感設備。在現(xiàn)有廣泛應用的L 型和LCL 型濾波器對開關頻率附近諧波抑制效果相對有限的情況下，優(yōu)化濾波器拓撲結構來實現(xiàn)開關頻率附近諧波的有效抑制顯得尤為重要。

2 濾波器特性分析

2.1 典型濾波器的結構

圖2 為L 型、LCL 型和LLCL 型濾波器單相等效電路。圖2(a)為L 型濾波器單相等效電路，即在輸入和輸出之間串入電感實現(xiàn)濾波。圖2(b)為LCL濾波器單相等效電路，相對于L 型濾波器，LCL 濾波器增加了濾波電容Cf和網側濾波電感Lg。在逆變器開關頻率較高的情況下電感支路的阻抗較大，電容支路阻抗較小，并聯(lián)的電容支路可以將逆變器輸出的高頻諧波分量旁路，從而有效降低注入電網電流Ig中的諧波電流分量。圖2(c)為LLCL 濾波器的單相等效模型，其結構在傳統(tǒng)的LCL 濾波器基礎上，在電容支路串聯(lián)1個小電感Lf和電容Cf組成1個串聯(lián)諧振電路，將諧振頻率設置為逆變器的開關頻率，從而實現(xiàn)更大程度地抑制旁路開關頻率附近的諧波。

圖2 濾波器單相等效電路Fig.2 Single-phase equivalent circuit of filters

2.2 濾波特性對比

經過LCL 型和L 型濾波器注入電網的電流Ig與逆變器輸出端電壓Ui之間的函數(shù)關系［15］分別為

經過LLCL 濾波器注入電網的電流Ig與逆變器輸出電壓Ui之間的函數(shù)關系［16］為

為比較L 型和LCL 型濾波器的濾波效果，令總電感LT=L +Lg，使得LCL 濾波器和L 濾波器的總電感量相等。繪制LCL 濾波器和L 濾波器的伯德圖，如圖3 所示。

從圖3 可知:在低頻范圍內，L 型和LCL 型濾波器濾波效果相同，此時，LCL 型濾波器可以等效為總電感量為LT的L 型濾波器;在高頻范圍內，LCL 型濾波器的衰減效果更好，因此在總電感量相同情況下，LCL型比L 型濾波器對高頻分量具有更好的抑制特性。

當LCL 濾波器與LLCL 濾波器參數(shù)設置相同時，其傳遞函數(shù)的伯德圖如圖4 所示。

圖3 相同總電感值的L 型、LCL 型濾波器伯德圖Fig.3 Bode diagram of LCL and L filter with same total inductance value

圖4 相同參數(shù)的LCL 型、LLCL 型濾波器伯德圖Fig.4 Bode diagram of LCL and LLCL filter with same parameters

從圖4 可以看出:在0 ～0.5 fres1頻段內，LCL 濾波器和LLCL 濾波器對諧波的作用效果相似;在0.5 fres1～1.5 fres1頻段內，LLCL 濾波器對諧波的作用效果優(yōu)于LCL 濾波器;在高于1.5fres1頻段，LLCL 濾波器的對諧波的作用效果相對較弱。

由于LCL 型和LLCL 型濾波器的幅頻特性曲線都存在諧振尖峰，即系統(tǒng)在某一頻率附近會發(fā)生振蕩。為了抑制系統(tǒng)的這種振蕩，通常采用無源阻尼或有源阻尼的方法，實際工程中常采用在電容支路上串聯(lián)阻尼電阻的方法來消除系統(tǒng)諧振。根據(jù)帶有阻尼電阻的LCL 型和LLCL 型濾波器的傳遞函數(shù)［17］繪制相應的伯德圖，如圖5 所示。

加阻尼電阻之后LCL 濾波器的幅頻特性曲線如圖5(a)所示，其中諧振峰值下降明顯，高頻諧波的衰減效果減弱。圖5(b)中的有阻尼的LLCL濾波器的幅頻特性曲線諧振峰值降低，但是電容支路串聯(lián)諧振頻率fres1附近的諧波衰減效果也被削弱。

3 LLCL 濾波器的參數(shù)設計

對于LLCL 濾波器的參數(shù)整定，需要考慮多方面的因素，既要有好的濾波效果，又要有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖5 帶阻尼時濾波器的伯德圖Fig.5 Bode diagram of filters with damping resistor

3.1 濾波電容的約束

LLCL 濾波器的濾波電容要求限制電容吸收的基波無功功率不能高于系統(tǒng)有功功率的5%，從而保證系統(tǒng)有較高的功率因數(shù)，由此可以得到濾波電容的約束條件為

式中:P 為系統(tǒng)的有功功率;Em為電網電壓峰值;fs為電網頻率［18］。

3.2 串聯(lián)諧振電感的計算

為了最大限度地濾除開關頻率附近的諧波，將電容支路的串聯(lián)諧振頻率確定為逆變器的開關頻率。由此計算得到諧振電感的約束條件為

式中fsw為系統(tǒng)開關頻率。

3.3 濾波電感的確定

電感值LT的選取應滿足系統(tǒng)在具有較好的濾波效果的前提下，既能保持系統(tǒng)的快速性，又能保證系統(tǒng)具有良好的跟蹤效果。由此得到LT的約束條件為

式中:Udc為直流母線電壓;Iripple·max為紋波電流;Imp為電網電流峰值［9］。

3.4 系統(tǒng)諧振頻率的約束

由于逆變器輸出電流中主要包含基波和開關頻率附近的諧波，且開關頻率遠大于基波頻率，因此，合理約束基波頻率、開關頻率和濾波器諧振頻率之間的關系便能最大限度避免諧振的發(fā)生。

采用LLCL 濾波器時系統(tǒng)的諧振通常采用無源阻尼來抑制，而添加阻尼電阻會削弱開關頻率附近的諧波衰減效果，同時增加系統(tǒng)損耗，為更好地凸顯LLCL 濾波器的濾波特性，本文采用無阻尼的LLCL濾波器，其中諧振頻率的范圍［18-19］應滿足:

式中

4 仿真驗證

為驗證LLCL 濾波器對開關頻率附近諧波的抑制效果，利用PSCAD/EMTDC 軟件搭建直驅式風電系統(tǒng)仿真模型。仿真參數(shù):系統(tǒng)額定容量1.5 MW，電網線電壓690 V，直流母線電壓1 100 V，開關頻率10 kHz。

由于LCL 濾波器對高頻諧波的抑制效果比L 濾波器好，所以只比較LLCL 濾波器和LCL 濾波器的效果。按照文中的約束條件計算1 組LCL 濾波器和LLCL 濾波器的參數(shù)，濾波器具體參數(shù)如表1 所示。

表1 LCL、LLCL 濾波器的參數(shù)Table 1 Parameters of LCL filter and LLCL filter

分別對表1 中參數(shù)所對應的2 種濾波器進行仿真驗證，得到濾波器輸出A 相電流波形如圖6 所示。

從圖6 中可看出，在2 種濾波器的網側電感取值和逆變器側電感取值均相同的情況下，采用LLCL 濾波器濾波后的網側電流波形紋波含量明顯較少。為進一步驗證2 種濾波器的濾波效果，分別對2 種濾波器濾波后的網側電流進行頻譜分析并計算諧波畸變率γTHD，如圖7 所示。

由圖7 可知:采用LLCL 型濾波器濾波后的網側電流在開關頻率處諧波含量較少，同時LCL 濾波器濾波后網側電流THD 為3.25%，而LLCL 濾波器濾波后的網側電流THD 為1.9%。結果表明采用LLCL 型濾波器對于開關頻率附近諧波抑制效果更好。

圖6 LCL、LLCL 濾波器輸出電流波形Fig.6 Output current waveform of LCL fitter and LLCL fiter

圖7 LCL、LLCL 濾波器網側輸出電流頻譜分析Fig.7 Spectrum analysis of grid-side output current of LCL filter and LLCL filter

5 結 論

本文針對風電系統(tǒng)網側采用L 型、LCL 型濾波器抑制開關頻率附近諧波的能力相對有限，提出了在LCL 濾波器的電容支路串接小電感實現(xiàn)開關頻率處諧振的LLCL 型濾波器;定性對比分析了L 型、LCL型及LLCL 型濾波器的特性，并設計了LLCL 型濾波器參數(shù)。PSCAD 的仿真分析表明，在濾波器逆變器側和網側電感總量相同的情況下，采用LLCL 型濾波器由于其串聯(lián)諧振支路實現(xiàn)了對開關頻率附近諧波最大程度的抑制，濾波后網側輸出電流的諧波畸變率更小，尤其是開關頻率附近的諧波含量更小，表明了LLCL 濾波器對網側諧波的抑制性能優(yōu)于L 型、LCL型濾波器。

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