毛翔 劉鎏 朱建平 葉奇 韓劍波

摘 要隨著變頻系統(tǒng)功率的不斷增大，對濾波器的濾波效果和體積要求越來越高。相比傳統(tǒng)的L型濾波器，LCL濾波器對高次諧波抑制能力強(qiáng)，占用體積更小。本文對LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并利用Matlab/Simulink建立模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了濾波器設(shè)計(jì)方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞LCL濾波器;參數(shù)設(shè)計(jì);變頻系統(tǒng)

0 引言

近年來，變頻系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，包括新能源發(fā)電、電機(jī)拖動(dòng)、軌道交通牽引等，功率也不斷提升。在電能轉(zhuǎn)換過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，需要加裝濾波器改善系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量。常用的濾波器有L型、LC型、LCL型等。L型濾波器為一階濾波器，其結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)。LCL濾波器為三階濾波器，對高次諧波有著很強(qiáng)的抑制能力，其內(nèi)部包含兩個(gè)電感，在總電感量與L型濾波器相同時(shí)，其輸出的電流諧波畸變率更小。圖1為LCL型濾波器頻率響應(yīng)圖，從圖中可以看出，在低頻段，下降斜率為-20，而在高頻段，下降斜率迅速增加為-60。從頻率響應(yīng)圖中還可以看出，在諧振點(diǎn)處，幅值會(huì)發(fā)生突變，將嚴(yán)重增加輸出電流畸變，甚至可能破壞整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，需要對LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)開展詳細(xì)研究。

1 LCL濾波器限制條件

不同于一階L濾波器的設(shè)計(jì)，三階LCL濾波器沒有直接的計(jì)算公式，需要在滿足一定約束條件下，進(jìn)行反復(fù)試取。同時(shí)，還要按照實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡化計(jì)算。

1.1 總電感約束條件

圖2所示為風(fēng)電變流器電網(wǎng)側(cè)的矢量關(guān)系圖。圖中，E為電網(wǎng)側(cè)的電壓，VL為濾波器電感上的電壓（總電感LL=Ll+Lg，Ll為變頻器側(cè)電感，Lg為電網(wǎng)側(cè)電感），V為變頻器側(cè)的電壓矢量，iL為流過濾波器電感的電流，Φ為電網(wǎng)側(cè)電壓與電流的夾角，cosΦ為電網(wǎng)側(cè)的功率因素角。P為圓上任一點(diǎn)，P在圓周上的運(yùn)動(dòng)時(shí)，代表著變頻器工作于不同的工況。

1.2 諧振頻率約束條件

變頻運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高次諧波為功率開關(guān)器件開關(guān)頻率fsw的整數(shù)倍，為了防止設(shè)計(jì)的LCL濾波器產(chǎn)生諧振，諧振頻率fres應(yīng)不大于fsw，考慮到fsw/2附近諧波電壓較小，因此，一般將fres的上限值設(shè)計(jì)為fsw/2。

fres的選取還應(yīng)避開電網(wǎng)頻率fn的整數(shù)倍，如2fn、3fn、……等。但需要設(shè)置下限值，否則將會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。諧波的幅值與諧波次數(shù)成反比例關(guān)系，10fn以后，諧波幅值變得很小，因此，一般將fres的下限值設(shè)計(jì)為10fn。

2 LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 濾波電容參數(shù)設(shè)計(jì)

濾波電容Cf的設(shè)計(jì)一方面要考慮濾波效果，電容值取越大越好;另一方面，為了降低電容上消耗的無功功率，電容值需要進(jìn)行限制。在工程應(yīng)用上，電容上消耗的無功一般要求在風(fēng)電變流器總的額定功率P的5%以內(nèi)。于是有：

2.2 阻尼電阻參數(shù)設(shè)計(jì)

為了消除諧振，需要在風(fēng)電變流器中加入阻尼，常用的有阻尼電阻和有源阻尼兩種方法，前者計(jì)算復(fù)雜，后者簡單可靠，在實(shí)際損耗允許的條件下，一般采用阻尼電阻方法。阻尼電阻越大，諧振抑制效果越明顯，但較高的電阻值會(huì)增加系統(tǒng)有功損耗，工程上的取值公式為：

3 參數(shù)計(jì)算與建模仿真

利用LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，開展仿真研究，建模對象為單機(jī)2.5MW的風(fēng)電變流器。并網(wǎng)電壓3.3kV，直流母線電壓5000V，功率開關(guān)器件頻率2.5kHz。

根據(jù)濾波器限制條件和反復(fù)迭代試取，計(jì)算出變流器側(cè)電感值Ll=2.6mH，電網(wǎng)側(cè)電感器Lg=0.65mH。

根據(jù)濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，計(jì)算出濾波電容Cf=33uF，阻尼電阻Rd=0.9Ω。

在Matlab/Simulink中建立風(fēng)電變流器仿真模型，并按照上述參數(shù)建立LCL濾波器模型，利用FFT進(jìn)行并網(wǎng)電流諧波分析，結(jié)果如圖3所示。從諧波分析圖中可以看出，在開關(guān)頻率2500Hz整數(shù)倍的5000Hz、7500Hz、10000Hz處，高次諧波都得到了非常強(qiáng)的抑制，總電流諧波畸變率THD為1.09%，遠(yuǎn)小于并網(wǎng)要求的5%限定值。

4 結(jié)束語

本文針對LCL三階濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括參數(shù)選取約束條件和計(jì)算方法。并針對2.5MW風(fēng)電變流器用LCL濾波器開展了仿真分析研究和計(jì)算，所選取的電感器、電容值和電阻值合理，濾波效果良好，為該濾波器設(shè)計(jì)方法在工程應(yīng)用中的推廣奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]毛翔.海上風(fēng)力發(fā)電用多電平中壓變流器的研究[D].西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[2]孫偉.基于PWM整流器的LCL濾波技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[3]林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路[M].2006.

[4]林飛.電力電子應(yīng)用技術(shù)的Matlab仿真[M].2009.