唐 洲，陳元初，管仁德，李根源

船用儲(chǔ)能變流器的最優(yōu)LC 設(shè)計(jì)與仿真

唐 洲1，陳元初2，管仁德1，李根源3

（1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司湖南株洲 412001；2. 通達(dá)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(chǔ)能變流器的濾波器電路及工作原理，并針對(duì)電容、電感等關(guān)鍵部件參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算及仿真。結(jié)果表明，選取適當(dāng)?shù)钠骷?shù)有利于優(yōu)化濾波器性能。

艦船儲(chǔ)能變流器 濾波器 LC 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

為了不影響接入網(wǎng)側(cè)負(fù)載時(shí)的電能質(zhì)量，引起負(fù)載過熱或者設(shè)備電磁兼容問題，對(duì)船用儲(chǔ)能變流器輸出諧波的要求較高。儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)相同濾波效果的前提下，LCL濾波器中兩個(gè)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(shì)，因而在儲(chǔ)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(dǎo)致逆變器的輸出電流諧振甚至不穩(wěn)定。對(duì)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(shí)際運(yùn)行中的諧振，但受外界變壓器和負(fù)載特性不確定性的影響，仍然存在著輸出電流諧振的異常現(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(fù)載。

1 濾波器主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)儲(chǔ)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(shí)也會(huì)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(duì)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(gè)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(dǎo)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(dá)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(jì)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(shí)，若逆變器的輸出采用單一的L型濾波，則考慮到儲(chǔ)能變流器最大電流脈動(dòng)限值的要求，其單電感應(yīng)滿足

取儲(chǔ)能變流器額定功率1.25MW，儲(chǔ)能電池電壓最大值1400 V，負(fù)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(chǔ)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(dāng)儲(chǔ)能電池電壓取下限值800 V時(shí)，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(duì)不同電感量條件下的電抗器電流進(jìn)行了仿真，其結(jié)果如表1所示。

表1 電抗器參數(shù)對(duì)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(dòng)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(fù)載網(wǎng)側(cè)電流諧波頻譜

2.1 交流濾波電容計(jì)算

在逆變器中，交流濾波電容的容量越大，其對(duì)高頻的濾波效果越好，但其產(chǎn)生的無功功率也會(huì)越大，在進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)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(fù)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(jì)，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(jì)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(shí)，要達(dá)到相同的阻尼效果，分裂電容支路的電阻應(yīng)按下式計(jì)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(shí)的波特圖如圖5所示，當(dāng)阻尼電阻取為0.125歐姆時(shí)諧振峰出幅值增益仍有18dB，而取0.25歐姆時(shí)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(jìn)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(dāng)?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(dǎo)致濾波器傳遞函數(shù)發(fā)生變化，當(dāng)小電感分別取0.034mH、0.068mH和0.1mH時(shí)，其幅頻特性如下圖6所示?？梢奓f適當(dāng)取大一點(diǎn)能進(jìn)一步降低諧振頻率出的增益且增強(qiáng)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(fù)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(yùn)行工況均不會(huì)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(jì)

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(chǔ)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(fù)雜，儲(chǔ)能變流器的負(fù)載電網(wǎng)適應(yīng)性必須越來越好。適當(dāng)?shù)臑V波網(wǎng)絡(luò)和正確的器件參數(shù)對(duì)于三電平并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文對(duì)參數(shù)選擇的理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證表明了電路拓?fù)浜蛥?shù)選擇的合理性，對(duì)于大功率儲(chǔ)能變流器的工程設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

[1] 趙爭鳴, 劉建政, 孫曉瑛, 等. 太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M]．北京: 科學(xué)出版社, 2006.

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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(jí)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