張 蓉，唐 婷

(1．西南交通大學 電氣工程學院，成都 610031;2．成都工業(yè)學院 電子與電氣工程系，成都 610031)

近年來，隨著煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的日益枯竭和環(huán)境的不斷惡化，各國都在積極開發(fā)應用可持續(xù)發(fā)展的替代能源，而風能以其豐富、分布廣泛、清潔并能緩和溫室效應等特點，作為一種無污染的、可再生的新能源有著巨大的潛力。在風力發(fā)電機中廣泛采用LCL濾波器，LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計和控制策略都較為復雜［1］，而且本身存在諧振問題，一般在LCL濾波器的電容支路串聯(lián)阻尼電阻來抑制諧振。本文根據(jù)LCL濾波器的數(shù)學模型，結(jié)合濾波原理，給出了一套參數(shù)設(shè)計方法，并分析了阻尼電阻對系統(tǒng)的影響。在此基礎(chǔ)上，建立了200 kW帶LCL濾波器的三相PWM變流器［2－3］并網(wǎng)仿真模型，驗證分析理論設(shè)計的正確性。

1 LCL濾波器在風力發(fā)電機中的應用

由于風能的不穩(wěn)定性，風力發(fā)電機所發(fā)出的交流電需先整流成直流電，再由變流器(Voltage Source Rectifier，VSR)逆變成工頻交流電。圖1是典型的基于PWM變流器的直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖［1］。

圖1 直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，網(wǎng)側(cè)變流器的開關(guān)頻率為1～15 kHz，開關(guān)頻率及其整數(shù)倍的高次諧波分量將對電網(wǎng)造成諧波污染，不利于電網(wǎng)的運行。在功率等級較低的變流器中，開關(guān)頻率較高，一般采用單L濾波器，通過增大電感值來抑制開關(guān)頻率附近的高次諧波。但隨著風機單機容量的不斷增大，基于效率和可靠性的考慮，變流器功率開關(guān)的頻率比較小，一般要選擇較大的電感才能使網(wǎng)側(cè)電流滿足相應的諧波標準。而大電感一般較貴且制造困難，導致系統(tǒng)體積和成本增加，而且會降低系統(tǒng)的動態(tài)響應性能和穩(wěn)定性。

與L濾波器相比，LCL濾波器使用較小的電感就能獲得很好的濾波效果，系統(tǒng)主電路如圖2所示。Lg、Rg為網(wǎng)側(cè)電感及其寄生電阻;L、R為變流器側(cè)電感及其寄生電阻;Cf為濾波電容;Rd為阻尼電阻;ea、eb、ec分別為三相電網(wǎng)的相電壓;iga、igb、igc分別為網(wǎng)側(cè)相電流，ia、ib、ic分別為變流器側(cè)相電流;C為直流母線支撐電容;Vdc為直流母線電壓。

圖2 帶LCL濾波器的并網(wǎng)變流器主電路圖

2 LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計

2．1 LCL濾波器的傳遞函數(shù)

為方便分析，假設(shè):1)電網(wǎng)電壓為三相對稱的純正弦波;2)電感電容均為理想器件，不考慮飽和;3)開關(guān)管均為理想器件，忽略死區(qū)時間。由圖2可得LCL濾波器單相等效電路圖如圖3所示，寫出LCL濾波器傳遞函數(shù)為:

圖3 LCL濾波器單相等效電路圖

2．2 濾波器設(shè)計的限制條件

LCL濾波器的參數(shù)較多，各參數(shù)配合取值不同，對系統(tǒng)的影響也不同。具體的參數(shù)選擇需滿足一定的約束條件:1)濾波電容限制濾波電容的引入降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，一般電容吸收的無功功率不 能 超 過 系 統(tǒng) 額 定 有 功 功 率 的 5%［2］。2)濾 波 總 電 感 限 制:3)諧振頻率限制:10f≤fres≤0.5fsw，諧振頻率應盡量避開敏感頻段，如開關(guān)頻率fsw及其整數(shù)倍頻段2fsw，3fsw等。其中，PN為額定功率;EN為電網(wǎng)電壓;總電感LT=Lg+L;Emp為電網(wǎng)相電壓峰值;Imp為電網(wǎng)相電流峰值;f為電網(wǎng)基波頻率。

2．3 濾波電感的選取

LCL濾波器的諧振頻率fres=ωres/(2π)=綜合考慮電流跟蹤和諧波要求，文獻［3］給出了網(wǎng)側(cè)電感的經(jīng)驗公式為:

令Lg=rL。一般來說，越大的總電感Lr，獲得的濾波效果越好。但是Lr過大影響系統(tǒng)的響應速度。而且比值r越大，對開關(guān)頻率及其整數(shù)倍次諧波的衰減效果越好，但是也不能太大，通常選取2≤r≤10。

2．4 阻尼電阻的選取

為了抑制LCL濾波器本身存在的諧振，一般采取在電容支路串聯(lián)阻尼電阻的方法［4－5］。阻尼電阻的選擇需綜合考慮濾波效果、損耗以及系統(tǒng)穩(wěn)定性3個方面。阻尼值太大，不僅增大了系統(tǒng)損耗，濾波器的濾波效果就會變差;阻尼值太小，就會增大電流諧波畸變率，而且會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以，一般選擇諧振點電容阻抗的1/3為阻尼電阻值，即:

假設(shè)Rg=R=0，根據(jù)式(1)可以寫出無阻尼電阻的傳遞函數(shù)為利用Matlab函數(shù)做出它們的Bode圖進行比較，如圖4、5所示。

圖4 傳遞函數(shù)G1(s)的Bode圖

圖5 傳遞函數(shù)G2(s)的Bode圖

從圖4中可以看出，G1(s)的Bode圖上有2個尖峰，正是LCL濾波器的諧振點。但圖5中，這2個尖峰被削弱了，正是阻尼電阻的引入，有效地抑制了諧振，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強了。

3 仿真實例

圖6 直流母線電壓

給定參數(shù)如下:PN=200 kW;電網(wǎng)線電壓為690 V，頻率為50 Hz;開關(guān)頻率fsw=5 kHz;直流側(cè)電壓Udc=1 100 V;支撐電容C=6 800 μF;由公式(2)算出網(wǎng)側(cè)電感為Lg=0．31 mH，取r=2，則變流器側(cè)電感L=0．62 mH。濾波電容取最大值的一半Cf=150 μF，則由公式(3)可計算出Rd=0．39 Ω;使用Matlab/simulink搭建仿真模型，仿真結(jié)果如下。

3．1 直流母線電壓

給定的直流母線電壓為1 100 V。如圖6所示，直流母線電壓在0．25 s后趨于穩(wěn)定，較快地跟蹤了給定電壓。

3．2 濾波前后電流波形比較

圖7為變流器側(cè)電流波形，即濾波前電流波形;圖8為網(wǎng)側(cè)電流波形，即濾波后電流波形。對比圖7、圖8可知，LCL濾波前，變流器側(cè)電流中諧波的主要分量為開關(guān)頻率次及其整數(shù)倍次諧波，諧波含量THD為15．30%。經(jīng)LCL濾波后，明顯改善了網(wǎng)側(cè)電流波形，有效地衰減了開關(guān)頻率倍次諧波，諧波諧波含量THD降為3．44%，濾波效果較好。

圖7 變流器側(cè)電流波形

圖8 網(wǎng)側(cè)電流波形

4 結(jié)語

介紹了一套完整的LCL濾波器參數(shù)設(shè)計方法，并得出一組數(shù)據(jù)用于仿真實驗。通過仿真波形分析，證明參數(shù)設(shè)計的正確性，并取得了良好的濾波效果。

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