有源電力濾波器的LCL濾波器分析與設計

胡金高，鄭大星

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州 350116)

有源電力濾波器的LCL濾波器分析與設計

胡金高，鄭大星

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州 350116)

有源電力濾波器輸出LCL濾波器兼顧了低頻段增益和高頻衰減，但是參數難確定。采用基于諧波分析，獲得最大諧波變化率。并利用電流的紋波限制，綜合得到單電感L的取值范圍。分析LCL濾波器，證明在相同濾波效果下，LCL濾波器的總電感約為單電感L濾波器的1/3。匹配諧振頻率設計LCL濾波器的電容和阻尼電阻，仿真證明了該設計的參數是可行的。

有源電力濾波器；LCL濾波器；開關紋波；諧振頻率

隨著現代工業技術的發展，大量的電力電子裝置中采用了大功率開關器件，使電力電子裝置實現了高頻化和小型化，但隨之而來的是高次諧波的產生，以及對電網造成的污染。現在采用的比較流行的補償諧波的裝置是并聯型有源電力濾波器(SAPF)[1-2]。

現階段的SAPF的輸出一般采用單電感L濾波器[3]。L濾波器結構簡單，但是不能夠很好地濾除開關諧波，需要較高的開關頻率才能有效地濾除開關諧波，以獲得良好的動態性能。往往為了獲得較好的濾除開關諧波，需要增大電感的數值，這不僅提高了成本，而且降低了系統的動態性能[4]。因此，有些學者提出用LCL濾波器代替單電感L濾波器，LCL濾波器能夠抑制高次諧波[5]。

LCL濾波器中主要有三個參數，設計不當會增加控制難度，而且容易造成振蕩、不穩定等問題。文獻[6]將三階LCL濾波器簡化為二階LC濾波器，采用歸一化算法計算二階LC濾波器的參數L，即LCL濾波器的橋臂側電感，但是該方法中的匹配負載電阻如何設定沒有明確的規定。文獻[7]對逆變器進行紋波電流分析，進而得到LCL濾波器的總電感的最小值，但是該逆變器采用的是三電平逆變器，因為對二電平逆變器進行紋波電流分析得到的LCL濾波器的總電感的最小值不理想。文獻[8]提出了一種基于諧波電流分析的電感值確定方法，能夠準確求得最佳的輸出電感值，但該方法針對的是單電感輸出濾波器。

本文在文獻[8]的基礎上得到單電感L濾波器的最大值。論證了在相同濾波效果下，LCL濾波器的總電感約為單電感L濾波器的1/3。采用匹配諧振頻率的方法求出LCL濾波器中的電容以及阻尼電阻。最后在Matlab/Simulink下搭建仿真平臺對設定參數進行仿真，驗證了設計的可行性。

1 LCL濾波器的分析

圖1 并聯型有源電力濾波器系統結構圖

圖2 APF的單相等效電路

圖3()以及單電感L的頻率特性

在諧振頻段前，LCL濾波器保持著與單電感L濾波器一樣的頻率特性；在諧振頻率后，LCL濾波器的衰減率為-60 dB/十倍頻，而單電感L濾波器只有-20 dB/十倍頻。對于10 kHz的開關紋波，LCL濾波器衰減明顯比單電感L濾波器衰減多。

2 單電感L濾波器的設計

2.1 基于諧波分析的電感值確定方法

假設有源電力濾波器的補償負載為三相整流電路，由其產生的負載電流及其頻譜(a相)如圖4所示。

圖4 APF負載電流及其頻譜

根據傅里葉變換，負載電流可分解為基波電流和指令電流，由負載電流頻譜可以看出，所含補償電流主要包含5、7、11、13、17、19次諧波，因為20次以上諧波畸變比較小，可以忽略不計。因此補償電流(a相)可寫成：

2.2 紋波限制

3 LCL濾波器的參數設計

3.1 LCL濾波器總電感的確定

由式可見，在不考慮諧波的情況下，在相同的濾波效果下，LCL濾波器的總電感約為單電感L濾波器的1/3，但考慮到LCL濾波器諧振的影響，總電感應選擇稍大一點。本文中，單電感濾波器取值為=1.5 mH，對應的LCL濾波器的總電感取值為T=550 μH。

3.2 電感的分配

當高頻時，如由逆變器引起的開關紋波，濾波效果主要由橋臂側電感1起作用[9]，較高的紋波電流將導致功率模塊和電感較大的損耗，因此橋臂側電感1取值應比網側電感2大。一般1取值約為總電感T的70%。本文中，橋臂側電感和網側電感參數設計為1=400 μH，2=150 μH。

3.3 電容的選取

由式(9)可推出諧振頻率為：

3.4 阻尼電阻的選取

根據上述設定的參數，可以畫出阻尼電阻的不同值的LCL濾波器橋臂側輸出電壓到網側輸出電流的Bode圖，如圖5所示。

圖5 LCL濾波器的頻率特性

4 系統仿真

在Matlab/Simulink下搭建電路對系統進行仿真。APF仿真模型中，三相電網電壓為380 V/50 Hz，開關頻率為10 kHz，逆變器直流母線電壓為800 V，LCL濾波器的參數取為：1=400 μH，2=150 μH，=10 μF，d=1 Ω。

圖6 負載電流和諧波電流

圖7 補償電流和補償后的網側電流

5 結論

本文通過對補償電流進行分析，求出基于補償電流的最大指令電流變化率，根據快速響應要求，設計的電感滿足使補償電流的變化率必須大于最大指令電流變化率。同時用匹配諧振頻率的方法設計LCL濾波器的電容及阻尼電阻，仿真結果表明了設計參數的可行性。

[1]王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2002:4-5．

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Analysis and design of LCL-filter in active power filter

HU Jin-gao,ZHENG Da-xing

Both gain of low frequency band and decay of high frequency band were considered by LCL-filter in active power filter,but the parameters were difficult to define.Based on analysis of harmonics,the maximum rate of harmonics was obtained.Combined with switching harmonics rejection,the range of inductance of L-filter was determined.LCL-filter was analyzed,and then the result proves that the inductance of LCL-filter is equal to one third of that of L-filter in the situation of the same effect.Capacitance and damping resistor was designed due to resonance frequency.The feasibility of the method was validated Simulation.

active power filter;LCL-filter;switching harmonic ripple;resonance frequency

TM 762

A

1002-087 X(2014)02-0349-03

2013-07-28

福建省自然科學基金項目(2012J01258)

胡金高(1962—)，男，福建省人，副教授，碩士，主要研究方向為電力電子控制。