三相電壓型高頻PWM整流器的LCL濾波器研究與設計

趙文華， 劉 勇， 韓素芳

(1.海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室，上海 201913;

2.上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063)

0 引言

三相電壓型高頻PWM整流器，因其能夠同時控制直流電壓［1］和電網側的功率因數而被廣泛應用到電機驅動、蓄電池放電控制，以及分布式并網發電系統中［2］。但系統中開關管工作于高頻方式，會在電網側產生高次諧波。采用傳統的L濾波器會帶來一些問題，如為了得到較好的濾波效果必須增大濾波電感L的值，這樣就會增加系統的投資，并且大電感的體積也較大。采用LCL濾波器能夠很好地濾除高次諧波，并且在同樣的諧波要求下，相對于L濾波器［3］可以很大程度地降低濾波電感的阻值大小，提高了系統的穩定性。

1 LCL濾波器和L濾波器性能的比較

LCL濾波器的高頻PWM整流拓撲結構如圖1所示。

圖1 基于LCL濾波的高頻PWM整流器拓撲

取單相的電路進行分析(濾波電感的電阻值非常小可以忽略)，可以得到網側電流和整流器交流側電壓的關系式如下。

LCL濾波器拓撲結構中［4］:

取LCL濾波器整流側電感值為1.2 mH、網側電感值為0.8 mH，L濾波器電感值為2.0 mH。利用MATLAB繪制式(1)及式(2)的波特圖，如圖2所示。

L濾波器拓撲結構中:

圖2 G1(s)及G2(s)波特圖

由上面的兩種不同濾波器的傳遞函數形式，并結合使用MATLAB繪制的幅頻特性曲線圖可知，低頻段時LCL型濾波器具有和L型濾波器相同的特性。高頻段時，LCL濾波器具有更高的衰減速度，因此它能夠很好地濾除逆變器產生的高頻諧波。但是LCL濾波器存在諧振，在其諧振頻率處的諧波非但沒有得到衰減，反而得到了很大的加強。這點是需要解決的問題。

2 抑制LCL濾波器諧振的方法

由LCL濾波器的傳遞函數可知，其之所以出現諧振，是因為它是一個三階的無阻尼系統。因此一般的抑制系統諧振的方法有兩種:無源阻尼法［5］和有源阻尼法［6-7］，前者是通過在電容或電感上串聯或者并聯阻尼電阻來實現抑制諧振的目的，后者是通過修正算法使系統達到穩定，消除諧振。無源阻尼法能夠有效抑制諧振，但是阻尼電阻的加入會使系統的損耗增大，降低了系統的效率。有源阻尼法是通過算法實現的，不會產生硬件損耗，但是需要額外增加測量電容電壓或電流的傳感器，系統的投資變大了并且程序算法也更加復雜了。實際應用中應綜合考慮各方面的因素選擇最合適的方法。

3 LCL濾波器的設計

LCL濾波器的設計應該考慮到如下因素:(1)設計的LCL濾波器能夠有效濾除網側電流中的高次諧波，使其滿足相應的標準。

(2)LCL濾波器中的濾波電容吸收的無功功率應低于額定功率的5%［2］，確保系統具有較高的功率因數。

(3)為了有效濾除開關頻率附近的諧波，系統的諧振頻率不應取的過高，但是也不能過低，避免較低次的諧波得到放大，一般使其介于10倍的基波頻率和0.5倍的開關頻率之間［2］。

(4)應該考慮是否加入阻尼電阻來抑制LCL濾波器的諧振，使系統穩定。

LCL濾波器設計時，首先根據紋波要求計算總的電感量;然后由電容吸收的無功量來計算出濾波電容C的大小;最后利用諧振頻率和諧波抑制比作為中間變量，分別得到網側和變換器側的電感值大小。

3.1 總電感L的設計

只考慮純電感濾波的PWM整流器，穩態情況下整流器交流側的矢量關系如圖3所示。

圖3 穩態下PWM整流器網側相電壓矢量關系圖

圖3中U、E、I分別是整流器交流側基波相電壓、網側基波相電壓、網側相電流基波有效值。當網側電壓E不變，電流I固定時，電壓U的軌跡在以電感電壓的UL大小為半徑的圓上，當電壓U的端點分別在B和D時，對應的是單位功率因數的整流和逆變。由于PWM整流器可以實現四象限運行，可以得到式(3)［8］:

式中:Emp——網側相電壓峰值;

Ump——整流器交流側基波電壓有效值;

Imp——相電流峰值。

在采用SVPWM時，可以獲得的基波電壓峰值是Ump=Udc/，其中Udc是整流器直流母線電壓。考慮到系統單功率因數運行，可以得到:

紋波電流的最大值［9］為

式中fsw是開關頻率。綜合式(4)和式(5)可得到:

但是L的值取得過大，則系統的響應速度會變慢，因此電感L的選取要綜合考慮所有因素來確定。

3.2 濾波電容C的選取

基波頻率下對單相的LCL濾波器進行簡化可以得到圖4所示的電路圖。

圖4 LCL濾波器的基波等效電路

從圖4可以得到:

式中:Qc——濾波電容吸收的無功功率;

λ——無功功率Qc相對于有功功率P的百分比。

3.3 濾波電感L1和L2的計算

對于諧波電流來說，網側的電感呈現高阻抗性，大部分的諧波電流流經濾波電容支路。在電網電壓理想的情況下(電網電壓不含諧波)，可以得到LCL濾波器的諧波等效電路，如圖5所示。

從圖5可以得出:

圖5 LCL濾波器的諧波等效電路

3.4 阻尼電阻的選取

從上面的分析可以得知，LCL濾波器存在諧振。本文是通過在濾波電容支路串聯電阻的方法來實現抑制諧振的作用，電容支路串聯電阻后，LCL濾波器的傳遞函數如式(10)所示:

分別取不同的阻尼電阻，得到LCL濾波器的波特圖如圖6所示。

圖6 LCL濾波器電容支路串聯電阻的波特圖

阻尼電阻R的引入增大了系統的阻尼比，很好地抑制了系統的諧振作用;并且對于電容支路串聯電阻的方法，隨著電阻的增大抑制諧振的作用更加明顯。但是阻尼電阻的加入，會使濾波器的高頻特性發生變化，電阻值越大高頻段的衰減速度犧牲越大;同時阻尼電阻上的損耗也將增大，損耗值如式(11)所示:

因此在選擇阻尼電阻時應該綜合考慮，以得到最合適的阻尼電阻。一般取阻尼電阻R的大小為諧振處電容阻抗的1/3，系統的波特圖如圖6中的R=Rd所示。

4 LCL濾波器設計實例及仿真驗證

要求:功率2 kW，網側額定電壓有效值70 V，開關頻率4 kHz，逆變器側的紋波電流小于額定電流的20%，并網電路THD小于5%。

由式(5)可以得到總的濾波電感L大小為1.894 mH。為了得到更好的濾波效果，取電感的值為2 mH。由式(8)可以計算出濾波電容的值為20 uF。參照網側濾波電感和逆變器側電感的取值原則，得到網側電感大小為0.8 mH，整流器側電感的大小為1.2 mH，無源阻尼電阻R大小為1.63 Ω。

利用上面的參數在MATLAB/Simulink中搭建仿真電路對系統進行仿真，圖7和圖8分別是整流器交流側和網側電流波形。

5 結語

本文對LCL濾波器和L濾波器進行了比較，并詳細闡述了LCL濾波器的設計原則，并給出了實例設計和仿真驗證波形。結果表明，LCL濾波器能夠更好地濾除高次諧波，達到相同的濾波效果時，LCL濾波器能夠減小電感值，從而降低了成本、減小了電感的體積，因此在大功率場合有很大的應用前景和優勢。

［1］林渭勛.現代電力電子技術［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［2］MARCO L，FREDE B，STEFFAN H.Design and control of an LCL filter—based three phase active rectifier［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2005，41(5):1281-1290.

［3］LISERRE M，DELL A A，BLAABJERG F.Stability improvements of an LCL—filter based three—phase active rectifier［C］∥IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference，2002(3):1195-1201.

［4］張憲平，李亞西，林資旭，等.LCL濾波的電壓型PWM整流器的有源阻尼控制［J］.電氣傳動，2007，37(11):22-25.

［5］TIMOTHY C Y W，ZHI H Y，GAUTAM S，et al.Output filters design for a grid-interconnected threephase inverter［C］∥ Power Electronics Specialist Conference，2003，2003 IEEE 34th Annual，2003(2):779-784.

［6］VLADIMIR B，VIKRAM K.A novel control to actively damp resonance in input LC filter of a threephase voltage source converter［J］.IEEE Transactions on Industry Application，1997，33(2):542-550.

［7］LISERRE M，DELL A A，BLAABJERG F.Genetic algorithm based design of the active damping for a LCL—filter three—phase active rectifier［C］∥Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，2003(1):234-240.

［8］張崇巍，張興.PWM整流器及其控制［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［9］PRASAD V H.Analysis and comparison of space vector modulation schemes for three-leg voltage source inverters［D］.Blacksburg，VA:Virginia Polytechnic Institute and State University，1997.