4象限變頻器網(wǎng)側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)與探討

孫紹慈，趙麗媛

（1.北京合康億盛變頻科技股份有限公司，北京100076；2.北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，北京100007）

4象限變頻器網(wǎng)側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)與探討

孫紹慈1，趙麗媛2

（1.北京合康億盛變頻科技股份有限公司，北京100076；2.北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，北京100007）

網(wǎng)側(cè)濾波器是4象限變頻器能量雙向流動(dòng)的關(guān)鍵，該濾波器的設(shè)計(jì)要考慮性能和成本的因素，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上必須選擇合適的參數(shù)將網(wǎng)側(cè)濾波器性價(jià)比做到更優(yōu)。使用諧波分析法設(shè)計(jì)L和LCL兩種網(wǎng)側(cè)濾波器，并比較2個(gè)濾波器在參數(shù)上的差異，得出LCL濾波器的成本優(yōu)勢(shì)所在；再通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證LCL濾波器性能上滿足要求，而且比L濾波器更優(yōu)。從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面分析驗(yàn)證了LCL濾波器設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性。

4象限；能量回饋；濾波器

1 引言

變頻器加入能量回饋功能，可使能量雙向流動(dòng)，有效地節(jié)約能源。能量回饋部分（因?yàn)榛仞伈糠种苯痈娋W(wǎng)相接，以下稱為網(wǎng)側(cè)）實(shí)際上是一個(gè)PWM整流器，當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量由電網(wǎng)傳到電機(jī)；當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，能量通過PWM整流器反饋給電網(wǎng)。這樣，變頻器可以4象限運(yùn)行。在4象限變頻器里，控制是核心，但網(wǎng)側(cè)濾波器是保證能量雙向流動(dòng)的關(guān)鍵，關(guān)乎系統(tǒng)的穩(wěn)定、響應(yīng)速度和紋波電流大小，在設(shè)計(jì)變頻器的過程中，濾波器相對(duì)其他設(shè)備元器件也比較貴，因此優(yōu)化濾波器，節(jié)約成本也是一個(gè)很重要課題。目前最成熟的濾波器是L濾波器，此外還有LC，LCL濾波器以及由此衍生一些濾波器。

2 L濾波器的設(shè)計(jì)

L濾波器為一階濾波器，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。L的設(shè)計(jì)要考慮形成矢量三角形、過零點(diǎn)電流跟蹤能力和電流的紋波抑制3方面的因素。在設(shè)計(jì)過程中，為了保證電流跟蹤的高速度和節(jié)約成本，一般選擇3個(gè)因素中一個(gè)的最小值。在這里，介紹一種根據(jù)電壓諧波理論設(shè)計(jì)電感的方式。

將網(wǎng)壓視為理想的50 Hz正弦波，認(rèn)為其中不含諧波成分，令SVPWM輸出相電壓各階諧波幅值為U（n），按諧波標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，網(wǎng)側(cè)電流諧波幅值設(shè)為最大值I（n），則根據(jù)諧波法，設(shè)計(jì)電感為

諧波設(shè)計(jì)濾波器方法的難點(diǎn)是運(yùn)算量大，適合計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。以380 V/280 kW變頻器為例進(jìn)行電抗器參數(shù)計(jì)算，將頻率定為3kHz。通過Matlab仿真得到兩電平SVPWM輸出相電壓各階諧波幅值為U（n），再進(jìn)行FFT分析，仿真結(jié)果見圖1。

圖1 相電壓FFT分析結(jié)果Fig.1 Result of phase voltage FFT

通過FFT分析發(fā)現(xiàn)，在2 900 Hz左右，有20%的諧波含量。根據(jù)IEEE519標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各次諧波含量的限定，見表1，在2 900 Hz（58次）諧波處電流的THD取0.3。進(jìn)而計(jì)算得到的網(wǎng)側(cè)濾波電感值為1.89 mH，一般實(shí)取1.9～2 mH。

表1 IEEE519規(guī)定的電流畸變限值（120～69 000 V）Tab.1 Current distortion limits for general distribution systems in IEEE519（120 Through 69 000 V）

3 LCL濾波器的設(shè)計(jì)

用LCL濾波器代替L濾波器，可降低成本，減小體積，加快能量回饋動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

LCL濾波器是一個(gè)3階的系統(tǒng)，由網(wǎng)側(cè)電感Lg，濾波電容Cf，整流器側(cè)電感L組成。比較L濾波器與LCL濾波器的幅頻響應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，LCL濾波器高頻衰減快，并且存在諧振點(diǎn)。為了消除諧振點(diǎn)，比較簡(jiǎn)單的方法是電容串聯(lián)電阻。圖2為變頻器電網(wǎng)側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

LCL濾波器從單相分析，等效電路見圖3。

類似于L濾波器的設(shè)計(jì)，LCL濾波器的設(shè)計(jì)亦是根據(jù)諧波法。加入Lg和Cf支路后，假定高頻諧波電流不通過網(wǎng)側(cè)電感Lg，Lg呈現(xiàn)高阻抗，此時(shí)諧波電流大部分流經(jīng)低阻抗的電容支路，網(wǎng)側(cè)電流諧波只占電流諧波i的一部分。

圖2 變頻器電網(wǎng)側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of converter on grid

圖3 系統(tǒng)單相拓?fù)鋱DFig.3 Topology of Single phase system

定義變量r，0＜r＜1，滿足|ig（n）|≤r|i（n）|，則變流器電感L計(jì)算公式可修正為

濾波電容的取值，根據(jù)網(wǎng)側(cè)采樣電流和電壓的位置不同而不同，將采樣電流定為i，采樣電壓定為ex。

為了保證較高的功率因數(shù)，必須保證濾波電容吸收的無功功率低于整流器額定功率的3%。近似認(rèn)為濾波電容電壓等于電網(wǎng)電壓，則濾波電容吸收無功與整流器額定功率之比λ為

式中：EN為整流器交流額定電壓；PN為整流器額定功率；f0為電網(wǎng)頻率。

接下來設(shè)計(jì)網(wǎng)側(cè)電感Lg。對(duì)諧波來說，假定網(wǎng)側(cè)電壓源短路，網(wǎng)側(cè)電流ig（n）與變流器側(cè)電流i（n）之間的關(guān)系為

可見，在選定Cf之后，代入相應(yīng)的角頻率nω和比例系數(shù)r，并取nω=2πfs，fs為開關(guān)頻率。

設(shè)計(jì)好濾波器電容電感參數(shù)后，進(jìn)行諧振頻率的檢驗(yàn)。認(rèn)為網(wǎng)壓不含諧波成分，則由圖4可得變頻器側(cè)各階諧波阻抗表達(dá)式如下：

可見，LCL濾波器存在一個(gè)零阻抗諧振點(diǎn)，諧振頻率為

諧振點(diǎn)可引起并網(wǎng)電流畸變，甚至影響變頻器電網(wǎng)側(cè)的穩(wěn)定性。為減小諧振點(diǎn)給系統(tǒng)帶來的危險(xiǎn)，LCL參數(shù)的取值應(yīng)使fres避開敏感頻段，如開關(guān)頻率fs及其倍數(shù)頻段2fs，3fs等?？紤]到fs/2以下頻率范圍內(nèi)的諧波電壓幅值相對(duì)較小，因此一般將fres設(shè)計(jì)在fs/2以下。

現(xiàn)以380 V/280 kW變頻器為例，進(jìn)行LCL濾波器設(shè)計(jì)：通過之前Matlab仿真得到SVPWM輸出相電壓各階諧波幅值為U（n），計(jì)算變頻器側(cè)電感L值。假設(shè)r取0.1，根據(jù)IEEE519標(biāo)準(zhǔn)諧波含量規(guī)范，計(jì)算得L=0.756 mH，實(shí)際可取0.75 mH。濾波電容按式（3）計(jì)算，開關(guān)頻率為fs=3 kHz，得到Cf=165.8 μF，實(shí)際可取150 μF。通過式（5）計(jì)算得到Lg=0.205 mH，實(shí)際可取0.2 mH。再考慮諧振點(diǎn)是否合適，通過式（7）計(jì)算得到 fres=1 034 Hz＜0.5fs，符合設(shè)計(jì)要求。

4 實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論

搭建380 V/280 kW低壓變頻器，網(wǎng)側(cè)采用LCL濾波器，圖4是變頻器網(wǎng)側(cè)的試驗(yàn)波形。

圖4 380 V/280 kW變頻器試驗(yàn)波形Fig.4 Test waveforms of 380 V/280 kW converter

觀察A相電流，當(dāng)A相電流大約600 A峰值時(shí)，與C相相電壓（中點(diǎn)通過3個(gè)小電容星接構(gòu)造）相位差大約120°，說明功率因數(shù)接近1。再使用功率分析儀檢測(cè)電流的諧波含量（THD），見圖5。

圖5 電流THDFig.5 Current THD

可以看出，網(wǎng)側(cè)電流諧波含量為4.36%，小于5%，符合設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了LCL濾波器設(shè)計(jì)的正確性和可行性?，F(xiàn)將280 kW/380 V變頻器LCL濾波器，改成L濾波器，電抗器參數(shù)比之前計(jì)算的略小，根據(jù)現(xiàn)有條件，使用1.6 mH（比計(jì)算值略?。╇娍?。再進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量（THD），見圖6。

圖6 L濾波器變頻器網(wǎng)側(cè)電流THDFig.6 Current THD of converter with a L filter

實(shí)驗(yàn)測(cè)得，如果使用L濾波器，網(wǎng)側(cè)電流總諧波含量為6.35%，比LCL濾波器效果要差一些。

本文介紹了諧波理論結(jié)合Matlab仿真設(shè)計(jì)網(wǎng)側(cè)濾波器的方法，并針對(duì)380 V/280 kW 4象限變頻器，分別設(shè)計(jì)L和LCL兩種網(wǎng)側(cè)濾波器，然后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，LCL濾波器的諧波性能比L濾波器更優(yōu)，尤其在高頻抑制上，LCL濾波器有更好的衰減特性。再比較這兩種濾波器的電感量LCL濾波器在電感量上有明顯的優(yōu)勢(shì)，僅為L(zhǎng)濾波器的一半。如果再優(yōu)化設(shè)計(jì)，可將LCL濾波器的總電感量降到L濾波器的三分之一。LCL濾波器雖然多了一個(gè)電容，但在濾波器整體設(shè)計(jì)上大大節(jié)約了成本，減小了整個(gè)系統(tǒng)的體積。因此，無論從理論分析、性能對(duì)比和節(jié)約成本來看，LCL濾波器具有更好的發(fā)展空間。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，可在LCL濾波器的電容支路里串入電阻，避免零阻抗的出現(xiàn)，亦可通過虛擬電阻或者其它控制方法，來抑制諧振點(diǎn)的危害。

［1］ 陳瑤.直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全功率并網(wǎng)變流技術(shù)的研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.

［2］ 張興，張崇巍，PWM整流器及其控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

Design and Discussion on Grid Side Filter of Four Quadrant Converter

SUN Shao-ci1，ZHAO Li-yuan2
（1.Beijing Hiconics，Drive Techndogy Co.，Ltd.，Beijing 100076，China；2.Beijing Materials Handling Research Institute，Beijing 100007，China）

The grid side filter is the key to a double-direction flow of energy in a four-quadrant converter，and two kinds of factors including performance and cost must be considered.Based on meeting the performance requirements we have to achieve the suitable parameters selection so as to make more value.Two grid side filters including L and LCL were designed through harmonic analysis，and compared the differences on the two filter parameters，the cost advantages of LCL filter was derived.Then the experiments show that performance of LCL filter meets the requirement and better than L filter.The correctness and practicability of the LCL filter design are verified through theory and experiments in this article.

four quadrants；energy feedback；filters

TN713

A

2013-12-05

修改稿日期：2014-02-10

孫紹慈（1985-），男，碩士研究生，助理工程師，Email：sunshaoci@163.com