有源電力濾波器的LCL濾波器分析與設(shè)計(jì)

胡金高，鄭大星

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350116)

有源電力濾波器的LCL濾波器分析與設(shè)計(jì)

胡金高，鄭大星

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350116)

有源電力濾波器輸出LCL濾波器兼顧了低頻段增益和高頻衰減，但是參數(shù)難確定。采用基于諧波分析，獲得最大諧波變化率。并利用電流的紋波限制，綜合得到單電感L的取值范圍。分析LCL濾波器，證明在相同濾波效果下，LCL濾波器的總電感約為單電感L濾波器的1/3。匹配諧振頻率設(shè)計(jì)LCL濾波器的電容和阻尼電阻，仿真證明了該設(shè)計(jì)的參數(shù)是可行的。

有源電力濾波器；LCL濾波器；開關(guān)紋波；諧振頻率

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大量的電力電子裝置中采用了大功率開關(guān)器件，使電力電子裝置實(shí)現(xiàn)了高頻化和小型化，但隨之而來的是高次諧波的產(chǎn)生，以及對(duì)電網(wǎng)造成的污染?，F(xiàn)在采用的比較流行的補(bǔ)償諧波的裝置是并聯(lián)型有源電力濾波器(SAPF)[1-2]。

現(xiàn)階段的SAPF的輸出一般采用單電感L濾波器[3]。L濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是不能夠很好地濾除開關(guān)諧波，需要較高的開關(guān)頻率才能有效地濾除開關(guān)諧波，以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。往往為了獲得較好的濾除開關(guān)諧波，需要增大電感的數(shù)值，這不僅提高了成本，而且降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[4]。因此，有些學(xué)者提出用LCL濾波器代替單電感L濾波器，LCL濾波器能夠抑制高次諧波[5]。

LCL濾波器中主要有三個(gè)參數(shù)，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)增加控制難度，而且容易造成振蕩、不穩(wěn)定等問題。文獻(xiàn)[6]將三階LCL濾波器簡(jiǎn)化為二階LC濾波器，采用歸一化算法計(jì)算二階LC濾波器的參數(shù)L，即LCL濾波器的橋臂側(cè)電感，但是該方法中的匹配負(fù)載電阻如何設(shè)定沒有明確的規(guī)定。文獻(xiàn)[7]對(duì)逆變器進(jìn)行紋波電流分析，進(jìn)而得到LCL濾波器的總電感的最小值，但是該逆變器采用的是三電平逆變器，因?yàn)閷?duì)二電平逆變器進(jìn)行紋波電流分析得到的LCL濾波器的總電感的最小值不理想。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于諧波電流分析的電感值確定方法，能夠準(zhǔn)確求得最佳的輸出電感值，但該方法針對(duì)的是單電感輸出濾波器。

本文在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上得到單電感L濾波器的最大值。論證了在相同濾波效果下，LCL濾波器的總電感約為單電感L濾波器的1/3。采用匹配諧振頻率的方法求出LCL濾波器中的電容以及阻尼電阻。最后在Matlab/Simulink下搭建仿真平臺(tái)對(duì)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

1 LCL濾波器的分析

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 APF的單相等效電路

圖3()以及單電感L的頻率特性

在諧振頻段前，LCL濾波器保持著與單電感L濾波器一樣的頻率特性；在諧振頻率后，LCL濾波器的衰減率為-60 dB/十倍頻，而單電感L濾波器只有-20 dB/十倍頻。對(duì)于10 kHz的開關(guān)紋波，LCL濾波器衰減明顯比單電感L濾波器衰減多。

2 單電感L濾波器的設(shè)計(jì)

2.1 基于諧波分析的電感值確定方法

假設(shè)有源電力濾波器的補(bǔ)償負(fù)載為三相整流電路，由其產(chǎn)生的負(fù)載電流及其頻譜(a相)如圖4所示。

圖4 APF負(fù)載電流及其頻譜

根據(jù)傅里葉變換，負(fù)載電流可分解為基波電流和指令電流，由負(fù)載電流頻譜可以看出，所含補(bǔ)償電流主要包含5、7、11、13、17、19次諧波，因?yàn)?0次以上諧波畸變比較小，可以忽略不計(jì)。因此補(bǔ)償電流(a相)可寫成：

2.2 紋波限制

3 LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 LCL濾波器總電感的確定

由式可見，在不考慮諧波的情況下，在相同的濾波效果下，LCL濾波器的總電感約為單電感L濾波器的1/3，但考慮到LCL濾波器諧振的影響，總電感應(yīng)選擇稍大一點(diǎn)。本文中，單電感濾波器取值為=1.5 mH，對(duì)應(yīng)的LCL濾波器的總電感取值為T=550 μH。

3.2 電感的分配

當(dāng)高頻時(shí)，如由逆變器引起的開關(guān)紋波，濾波效果主要由橋臂側(cè)電感1起作用[9]，較高的紋波電流將導(dǎo)致功率模塊和電感較大的損耗，因此橋臂側(cè)電感1取值應(yīng)比網(wǎng)側(cè)電感2大。一般1取值約為總電感T的70%。本文中，橋臂側(cè)電感和網(wǎng)側(cè)電感參數(shù)設(shè)計(jì)為1=400 μH，2=150 μH。

3.3 電容的選取

由式(9)可推出諧振頻率為：

3.4 阻尼電阻的選取

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)，可以畫出阻尼電阻的不同值的LCL濾波器橋臂側(cè)輸出電壓到網(wǎng)側(cè)輸出電流的Bode圖，如圖5所示。

圖5 LCL濾波器的頻率特性

4 系統(tǒng)仿真

在Matlab/Simulink下搭建電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。APF仿真模型中，三相電網(wǎng)電壓為380 V/50 Hz，開關(guān)頻率為10 kHz，逆變器直流母線電壓為800 V，LCL濾波器的參數(shù)取為：1=400 μH，2=150 μH，=10 μF，d=1 Ω。

圖6 負(fù)載電流和諧波電流

圖7 補(bǔ)償電流和補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流

5 結(jié)論

本文通過對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行分析，求出基于補(bǔ)償電流的最大指令電流變化率，根據(jù)快速響應(yīng)要求，設(shè)計(jì)的電感滿足使補(bǔ)償電流的變化率必須大于最大指令電流變化率。同時(shí)用匹配諧振頻率的方法設(shè)計(jì)LCL濾波器的電容及阻尼電阻，仿真結(jié)果表明了設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性。

[1]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002:4-5．

[2]姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器：結(jié)構(gòu)·原理·控制[M].北京：科學(xué)出版社，2005．

[3]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京：中國(guó)電力出版社,2006．

[4]吳衛(wèi)民，劉松培，何遠(yuǎn)彬，等．單相LCL并網(wǎng)逆變器電流控制綜述[J]．電源學(xué)報(bào)，2011(2):51-58．

[5]張國(guó)榮，張學(xué)友，丁明，等．PAPF輸出濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制[J]．電氣傳動(dòng)，2010，40(7):37-41．

[6]錢志俊，仇志凌，陳國(guó)柱．有源電能質(zhì)量控制器的LCL濾波器設(shè)計(jì)與研究[J]．電力電子技術(shù)，2007，41(3)：6-8．

[7]王付勝，邵章平，劉萍．三電平逆變器電流紋波分析和LCL濾波器設(shè)計(jì)[J]．電力電子技術(shù)，2010，44(11):36-38．

[8]張國(guó)榮，齊國(guó)虎，蘇建徽，等．并聯(lián)型有源電力濾波器輸出電感選擇的新方法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(6):22-27．

[9]張東江，仇志凌，李玉玲，等．基于LCL濾波器的高穩(wěn)態(tài)性能并聯(lián)有源電力濾波器[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(6):137-143．

[10]張憲平，李亞西，潘磊，等．三相電壓型整流器的LCL型濾波器分析與研究[J]．電氣應(yīng)用，2007，26(5):65-68．

Analysis and design of LCL-filter in active power filter

HU Jin-gao,ZHENG Da-xing

Both gain of low frequency band and decay of high frequency band were considered by LCL-filter in active power filter,but the parameters were difficult to define.Based on analysis of harmonics,the maximum rate of harmonics was obtained.Combined with switching harmonics rejection,the range of inductance of L-filter was determined.LCL-filter was analyzed,and then the result proves that the inductance of LCL-filter is equal to one third of that of L-filter in the situation of the same effect.Capacitance and damping resistor was designed due to resonance frequency.The feasibility of the method was validated Simulation.

active power filter;LCL-filter;switching harmonic ripple;resonance frequency

TM 762

A

1002-087 X(2014)02-0349-03

2013-07-28

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012J01258)

胡金高(1962—)，男，福建省人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮涌刂啤?/p>