王耀昕,郭 彤,盛玉和

(1.哈爾濱電氣國際工程有限責(zé)任公司,哈爾濱 150028;2.深圳棕櫚泉會所管理有限公司工程部,廣東 深圳 518000;3.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

基于二端口網(wǎng)絡(luò)分析的三相PWM逆變系統(tǒng) LC濾波器研究

王耀昕1,郭 彤2,盛玉和3

(1.哈爾濱電氣國際工程有限責(zé)任公司,哈爾濱 150028;2.深圳棕櫚泉會所管理有限公司工程部,廣東 深圳 518000;3.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

為解決三相PWM逆變系統(tǒng)開關(guān)高頻開斷存在沖擊較大和高次諧波電流問題,通常需要設(shè)計逆變器輸出側(cè)LC濾波器,同時對LC濾波器的參數(shù)要求較高。對此,筆者從三相PWM逆變系統(tǒng)LC濾波器的原理出發(fā),提出采用二端口網(wǎng)絡(luò)分析法,建立三相PWM系統(tǒng)LC濾波器的數(shù)學(xué)模型和等效電路,以優(yōu)化設(shè)計LC電路參數(shù)。通過在MATLAB環(huán)境下搭建仿真平臺及進行仿真實驗，驗證了設(shè)計的LC濾波電路的有效性。

二端口網(wǎng)絡(luò)分析;PWM逆變系統(tǒng);LC濾波器;MATLAB仿真

交流三相電壓源逆變器廣泛采用的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)控制方式是對逆變電路中開關(guān)器件的通斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等但脈沖寬度不等的脈沖,也就是在輸出波形周期中產(chǎn)生多個脈沖,通過調(diào)節(jié)脈沖寬度使等值電壓為正弦波形,來代替正弦波或所需要的波形。然而PWM逆變器直接與系統(tǒng)連接存在著一些問題,一方面PWM電壓的dV/dt很大,給系統(tǒng)絕緣造成較大壓力,當(dāng)連接電機時,三相PWM電壓的共模分量會導(dǎo)致電機軸承電流不穩(wěn),影響電機使用壽命甚至損壞電機[1]。另一方面,由于PWM調(diào)制技術(shù)的技術(shù)特性,決定了逆變器輸出的交流電能中含有較多的高次諧波分量,該類諧波分量的存在將直接影響交流電力品質(zhì)[2]。鑒于這兩方面原因,通常需要在逆變器的輸出側(cè)設(shè)置LC濾波器,以解決沖擊較大問題并優(yōu)化交流電力品質(zhì)。但是LC濾波器的接入會影響逆變器輸出電流和電壓,所以系統(tǒng)對LC濾波器的參數(shù)設(shè)計要求較高,以避免因設(shè)計不當(dāng),產(chǎn)生LC的諧振問題[3]。本文以三相四線PWM逆變系統(tǒng)的LC濾波器為研究對象,提出采用二端口網(wǎng)絡(luò)分析法,建立LC濾波器的數(shù)學(xué)模型和等效電路,完成對LC濾波器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。同時,在MATLAB環(huán)境下搭建仿真平臺進行仿真試驗,以驗證所分析設(shè)計的LC濾波電路的有效性。

1 三相四線PWM逆變系統(tǒng)LC濾波器基本結(jié)構(gòu)

交流三相電壓源變流器的拓撲方案主要有兩種:一種是三橋臂的變流器,它的第四路交流中性線直接連在直流母線的電器中性點上;另一種是四橋臂的變流器。三相四線LC濾波器的基本結(jié)構(gòu)主要有星形結(jié)構(gòu)和三角形結(jié)構(gòu),兩種結(jié)構(gòu)通過參數(shù)調(diào)整可以等效,因此本文主要研究星形結(jié)構(gòu)的三相四線LC濾波器,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 星形結(jié)構(gòu)的三相四線LC濾波器

從圖1可以看出,星形結(jié)構(gòu)三相四線LC濾波器功率級部分主要由四橋臂和LC濾波器電路組成。四橋臂電壓源變流器的四個橋臂分別由四對全控型功率器件組成,控制信號由控制器發(fā)出PWM控制信號,通過控制開關(guān)的高頻通斷實現(xiàn)對輸出電壓的控制。輸出電流經(jīng)LC濾波器電路連接到電網(wǎng),LC濾波器電路的主要作用就是對輸出電流的高次諧波進行濾除。

2 基于二端口網(wǎng)絡(luò)的LC濾波器分析

LC濾波器電路二端口網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

由于交流三相系統(tǒng)的對稱性,在輸出部分三相之間沒有耦合關(guān)系,因此將逆變器出口的交流三相系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為等效的單相系統(tǒng),即對LC濾波電路的分析,也可以將三相電路簡化為對單相電路進行分析。

在圖2中,I1和I2分別為輸入和輸出電流,標示的電流方向為參考方向,通過兩個端口上的電壓值分別為U1和U2。根據(jù)齊性定理和疊加定理,I1和I2應(yīng)為U1和U2的線性組合,即[4]

式中系數(shù)為此二端口的導(dǎo)納參數(shù),矩陣形式為

圖2 LC濾波器電路二端口網(wǎng)絡(luò)分析圖

設(shè)圖2(a)中的電阻值為R,電感值為L,電容值為C,通過對圖2(a)列節(jié)點電壓方程 解得

得到這個二端口網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納參數(shù)矩陣為

圖2(a)的傳輸參數(shù)方程為

(1)

根據(jù)這個導(dǎo)納參數(shù)矩陣求得這個二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)方程為

(2)

LC濾波器電路一端口網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 LC濾波器電路一端口網(wǎng)絡(luò)分析圖

從圖3(b)輸出端口看,它是線性含獨立源的一端口網(wǎng)絡(luò),可用戴維南電路等效。其中,Uoc是從輸出端口看的等效電源,Zo是從輸出端口看的等效阻抗。

通過式(1)和式(2)求得Zo和Uoc:

其中Us是從輸出口看的存在電源,根據(jù)簡化后的電路可求變流器的輸出電壓。經(jīng)過這個續(xù)流濾波二端口網(wǎng)絡(luò)后,輸出電流I2與參考電壓U1的關(guān)系為

U1=Us,得到輸出電流-I2為

由此可以看出:當(dāng)輸出電路參數(shù)固定后,輸出電流值是關(guān)于相對于輸出電路的輸入電壓U1和輸出電壓U2的一個函數(shù)。

3 LC濾波器參數(shù)的設(shè)計

PWM逆變系統(tǒng)工作于高頻PWM模式下,PWM逆變系統(tǒng)電壓的dV/dt很大,會對系統(tǒng)造成沖擊,并且高開關(guān)頻率會產(chǎn)生對電網(wǎng)諧波的污染,其輸出電流會對電網(wǎng)產(chǎn)生不良的諧波影響。因而必須在PWM逆變器的輸出側(cè)加低通濾波器來減小諧波含量,使輸出的波形達到平滑的正弦波形,減少諧波對電網(wǎng)以及負載的影響。傳統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)濾波器為L濾波器[5],其中電感L將高頻電流限制在一定的范圍內(nèi),減少了對電網(wǎng)的危害。這種方式存在一些缺點,如隨著功率的提高,所需電感值過大,動態(tài)性能不是很理想,會造成體積過大或成本過高等問題。因此本文采用LC濾波器來抑制電流諧波,其中的串聯(lián)電阻可以起到抑制沖擊電流的作用。為達到同等的濾波效果,設(shè)計LC濾波器電感量比L濾波器小很多[6]。

濾波器中L和C的參數(shù)選取,以及對LC濾波器的優(yōu)化是LC濾波器設(shè)計的重點。首先考慮濾波器的截止頻率,這樣可以消除逆變器輸出電壓中高于截止頻率的低次諧波。但是僅依據(jù)截止頻率還不能確定濾波器的參數(shù),還需綜合考慮濾波器的功率容量、體積等要素對逆變器的功率密度、重量、性價比等指標的影響[7]。

為使圖2(a)LC濾波輸出電路起到對輸出電壓進行濾波的作用,濾除開關(guān)所帶來的高次諧波,設(shè)其中電感值為L、電阻值為R、電容值為C,其傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)開關(guān)頻率越高,PWM逆變器的輸入諧波頻率就越高,相對的濾波器開關(guān)頻率越大。LC濾波器的參數(shù)設(shè)計方法有很多,本文使用BODE圖分析法對LC濾波器電路進行優(yōu)化設(shè)計,假設(shè)該電路的開關(guān)頻率為10 kHz,可得LC濾波器參數(shù)電感及電容的設(shè)計值為:L=2 mH;R=4;C=60 μF。

LC濾波器輸出電路的截止頻率為3 kHz,在10 kHz處系統(tǒng)增益比已達到-20 dB,可以對開關(guān)頻率為10 kHz所引入的的高次諧波進行濾除,這說明該LC濾波器可較好地對高頻分量起到抑制作用。

4 仿真分析

在MATLAB環(huán)境下搭建該問題的仿真平臺(仿真電路見圖1),三相PWM逆變系統(tǒng)通過LC濾波器進行輸出,分別記錄LC濾波器前后的輸出電流,如圖4所示,上圖為三相PWM逆變系統(tǒng)LC濾波器前的輸出電流,下圖為通過LC濾波器后的輸出電流。

從圖4可以看出,該系統(tǒng)所帶的高頻諧波電流通過LC濾波器后,基本被消除；通過二端口網(wǎng)絡(luò)分析法,建立的LC濾波器數(shù)學(xué)模型可較好反映LC濾波器的物理本質(zhì),其設(shè)計的LC濾波器的參數(shù)可以平滑PWM電壓dV/dt的沖擊,并對PWM高頻開斷引發(fā)的高頻諧波電流具有較強的抑制效果。

圖4 PWM系統(tǒng)的輸出波形

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Research on LC filter in three-phase PWM inverter system based on two-port network analysis

WANG Yaoxin1, GUO Tong2, SHENG Yuhe3

(1.Harbin Electric International Company Limited, Harbin 150028, China; 2. Palm Springs Holdings, Shenzhen 518000, China;3. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China)

Since greater impact and higher harmonic current always took place when the switch under high-frequency current broke in three-phase PWM inverter system, the LC filter at the inverter output side were required to design with higher requirement for LC filter parameters. Aiming at these problems, the author proposed to adopt two-port network analysis based on the principle of LC filter in three-phase PWM inverter system. It is a method that established the simulation platform under MATLAB based on the design of LC circuit parameters through the deduced mathematical model and equivalent circuit of LC filter in three-phase PWM inverter system. Through the simulation under MATLAB, the effectiveness of the designed LC filter circuit was verified.

two-port network analysis; PWM inverter system; LC filter; MATLAB simulation

2015-06-22。

王耀昕(1971—),男,碩士研究生,高級工程師,研究方向為電廠發(fā)電效率。

TM464

A

2095-6843(2015)06-0524-04