船用儲能變流器的最優(yōu)LC 設(shè)計與仿真

唐 洲，陳元初，管仁德，李根源

船用儲能變流器的最優(yōu)LC 設(shè)計與仿真

唐 洲1，陳元初2，管仁德1，李根源3

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司湖南株洲 412001；2. 通達電磁能股份有限公司 湖南長沙； 3. 華電新疆發(fā)電有限公司新疆哈密 839000 ）

介紹了一種新型基于LC型船用儲能變流器的濾波器電路及工作原理，并針對電容、電感等關(guān)鍵部件參數(shù)進行了計算及仿真。結(jié)果表明，選取適當?shù)钠骷?shù)有利于優(yōu)化濾波器性能。

艦船儲能變流器 濾波器 LC 優(yōu)化設(shè)計

0 引言

為了不影響接入網(wǎng)側(cè)負載時的電能質(zhì)量，引起負載過熱或者設(shè)備電磁兼容問題，對船用儲能變流器輸出諧波的要求較高。儲能變流器通常采用脈寬調(diào)制技術(shù)，其輸出PWM電壓存在開關(guān)頻率附近的高次諧波，為了抑制輸出電流中的開關(guān)諧波，需要選取合適的輸出濾波器。之前主流的儲能變流器均采用LCL型濾波器，此濾波器含有濾波電容，為高頻的諧波電流提供了回路，在實現(xiàn)相同濾波效果的前提下，LCL濾波器中兩個電感的感量之和小于L型濾波器單電感感量，在體積和成本上具備明顯優(yōu)勢，因而在儲能變流器中得到了廣泛的應(yīng)用。但是LCL濾波器存在固有的諧振尖峰，易導致逆變器的輸出電流諧振甚至不穩(wěn)定。對于LCL濾波器，通常做法是采用有源阻尼的控制算法，從軟件上盡可能抑制實際運行中的諧振，但受外界變壓器和負載特性不確定性的影響，仍然存在著輸出電流諧振的異?，F(xiàn)象。因而，迫切需要研究一種更優(yōu)性能的濾波器，使其具備良好高頻抑制能力且能解決因諧振尖峰引起的穩(wěn)定性問題，能夠廣泛適應(yīng)不同特性的負載。

1 濾波器主電路設(shè)計

根據(jù)儲能變流器行業(yè)交流濾波方案的調(diào)研情況，本方案擬采用一種LC無源阻尼濾波方法。

常用的無源阻尼方法就是在交流電容支路串聯(lián)電阻，如圖1所示，配置合適的電阻值可有效抑制諧振尖峰，但是阻尼電阻同時也會降低濾波器的高頻抑制能力。為了改善串聯(lián)電阻的無源阻尼方案對高頻諧波的濾除性能，可將電容一分為二，阻尼電阻只需串聯(lián)在其中一個電容支路即可，如圖2所示。無源阻尼濾波電阻的存在必然導致功率的損耗和器件的發(fā)熱，可在分裂電容阻尼濾波方案的基礎(chǔ)上，在阻尼電阻的兩端并聯(lián)電感以分流其所在電容支路的基波分量，達到降低電阻功耗的目的，形成了本逆變器最終的無源阻尼濾波方案，如圖3所示。

圖1 LC無源阻尼濾波方案-串聯(lián)電阻

圖2 LC無源阻尼濾波方案-分裂電容

圖3 LC無源阻尼濾波方案-并聯(lián)電感

1.1 橋臂側(cè)電感計算及仿真

1）電感下限值

從抑制諧波電流的角度，橋臂側(cè)電感的大小關(guān)系到流過逆變橋臂中電流紋波的幅值，若要控制最大電流紋波幅值，則要求橋臂側(cè)電感值不能過小。在逆變器工作于單位功率因數(shù)條件時，若逆變器的輸出采用單一的L型濾波，則考慮到儲能變流器最大電流脈動限值的要求，其單電感應(yīng)滿足

取儲能變流器額定功率1.25MW，儲能電池電壓最大值1400 V，負載網(wǎng)壓為550 V，開關(guān)頻率為3450 Hz，得出采用單電感感量滿足

由于儲能變流器采用的是LCL濾波器，故其總電感感量只需單電感濾波器感量的約1/3，故可得出橋臂側(cè)電感應(yīng)滿足

2）電感上限值

從瞬態(tài)電流跟蹤的角度，電感的值應(yīng)能使電流的跟蹤速度足以匹配電流最大變化率，得出電感的上限值

當儲能電池電壓取下限值800 V時，橋臂電感滿足

綜合上文得出的電感上下限值，暫取橋臂電感值為0.07 mH。

基于Matlab建模仿真下面分別對不同電感量條件下的電抗器電流進行了仿真，其結(jié)果如表1所示。

表1 電抗器參數(shù)對交流電流紋波影響

結(jié)果表明電抗器選擇0.07 mH較為合適，模塊輸出電流波動可限制在20%額定電流（371A）以內(nèi)。網(wǎng)側(cè)電流諧波頻譜如圖4所示。

圖4 負載網(wǎng)側(cè)電流諧波頻譜

2.1 交流濾波電容計算

在逆變器中，交流濾波電容的容量越大，其對高頻的濾波效果越好，但其產(chǎn)生的無功功率也會越大，在進行濾波器的設(shè)計時通常將電容產(chǎn)生的無功功率限制在5%的系統(tǒng)額定功率左右，考慮到濾波器的負載網(wǎng)側(cè)電感一般較小，可忽略其壓降，故LC濾波器的電容滿足：

考慮工程化設(shè)計，現(xiàn)有三相電容物料為3×55.7uF，其內(nèi)部采用三角形連接且單只電容為55.7uF，故該電容等效星型接法的各相電容為167uF，因而可采用4只電容并聯(lián)，即

2.2 阻尼電阻和并聯(lián)小電感計算及仿真

在本濾波方案中，濾波電容分為兩組，其中一路接入阻尼網(wǎng)絡(luò)。采用分裂電容時，要達到相同的阻尼效果，分裂電容支路的電阻應(yīng)按下式計算：

由上面波特圖可看出等效LCL濾波器諧振頻率約為1170 Hz左右，代入上式可得出：

若不考慮阻尼電阻并聯(lián)小電感的影響，阻尼電阻分別取0.125歐姆和0.25歐姆時的波特圖如圖5所示，當阻尼電阻取為0.125歐姆時諧振峰出幅值增益仍有18dB，而取0.25歐姆時的諧振增益已降至10dB左右，可見阻尼電阻取0.25歐姆較為合適。

圖5 阻尼電阻取不同值的濾波效果

選定阻尼電阻后，為了進一步降低阻尼電阻的電流基波和低頻成分，在電阻上并聯(lián)適當?shù)男‰姼?i>L，一般取為

代入相關(guān)數(shù)值得出小電感取值0.034mH。由于小電感的加入將導致濾波器傳遞函數(shù)發(fā)生變化，當小電感分別取0.034mH、0.068mH和0.1mH時，其幅頻特性如下圖6所示?？梢奓f適當取大一點能進一步降低諧振頻率出的增益且增強濾波器的高頻濾波性能，這里將小電感取為0.1mH。

在0.28～0.34 s期間仿真引入負載電網(wǎng)諧波電壓（4%），關(guān)注兩電容支路電流和阻尼元件（電阻和小電感）上的電流情況，濾波器關(guān)鍵器件的電流仿真分析結(jié)果如表2和圖7、圖8所示，結(jié)果表明運行工況均不會超過額定值。

表2 濾波器關(guān)鍵器件電流仿真分析結(jié)果統(tǒng)計

圖7 電容支路電流（上-無阻尼支路，下-有阻尼支路）

圖8 阻尼網(wǎng)絡(luò)元件電流（上-電阻，下-電感）

3 結(jié)論

伴隨著儲能電池等新能源發(fā)電大量接入艦船電網(wǎng)，使得艦船電網(wǎng)環(huán)境越來越復雜，儲能變流器的負載電網(wǎng)適應(yīng)性必須越來越好。適當?shù)臑V波網(wǎng)絡(luò)和正確的器件參數(shù)對于三電平并網(wǎng)逆變器的設(shè)計至關(guān)重要。本文對參數(shù)選擇的理論推導和仿真驗證表明了電路拓撲和參數(shù)選擇的合理性，對于大功率儲能變流器的工程設(shè)計具有重要的參考意義。

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Optimal Design and Simulation of LC Filter of Marine Energy Storage Converter

Tang Zhou1, Chen Chuyuan2, Guan Rende3

(1．Zhuzhou CRRC Times Electric Co., Ltd, Zhuzhou 412001, Hunan, China; 2．Tongda Electromagnetic Energy Co., Ltd, Changsha 420000; 3 .Huadian Xinjiang Power Generation Co., Ltd, Hami 839000. Xinjiang, China)

TP391.9

A

1003-4862（2021）06-0008-03

2021-03-31

唐洲（1981-），高級工程師，研究方向：軌道交通及新能源裝備開發(fā)工作。E-mail：tangzhou@csrzic.com