基于LCL濾波的三電平有源濾波器研制

王瑞海

(永城煤電控股集團有限公司 河南 永城 476600)

基于LCL濾波的三電平有源濾波器研制

王瑞海

(永城煤電控股集團有限公司 河南 永城 476600)

永城煤礦部分礦井提升機系統采用直流電動機調速設備，產生諧波，污染電網。針對這一問題，本研究研制了一套基于LCL濾波的三電平有源濾波器以降低系統諧波。該裝置采用二極管箝位型三電平拓撲結構，通過電容電流反饋的有源阻尼方法進行諧振抑制，并且將智能化粒子群算法應用于LCL濾波器參數設計。本研究所采用理論及方法，經仿真驗證證明其正確可行，可以有效降低系統諧波。通過樣機實驗結果證明，所研制的有源濾波器可以有效補償直流提升系統產生的諧波，將電網諧波含量控制在5%以內，滿足國家標準。

有源濾波器 LCL濾波器 粒子群算法 直流提升機

隨著科技進步，煤礦生產電氣化與自動化程度越來越高，提高了生產效率，也產生了一些新的問題。永城煤礦部分礦機提升機采用直流電動機調速系統，以晶閘管整流裝置為其提供電源，產生大量諧波，污染電網，使其諧波含量在13%左右，遠遠超出國家標準規定的5%。然而，由于礦井提升機一方面其系統容量較大，另一方面需要頻繁起動與停車，工況復雜，以致需要補償的電流諧波變化范圍較廣，補償系統響應速度要求較高。由于其特殊的工況要求，目前市場上針對礦井提升機直流調速系統諧波補償的有源濾波設備極為少見。本研究針對這一問題，經過長期研究，設計研制了1套基于LCL濾波的三電平有源濾波器。

1995年，M.Lindgren和J.Svensson首先提出采用三階的LCL濾波器代替傳統的單電感濾波器，并將其成功的應用在整流器中，LCL濾波器可以兼顧低頻段的增益和高頻段的衰減[1-6]。LCL濾波器包含3個參數，參數選擇比較復雜，且會導致諧振，必須采取一定措施抑制。

本系統采用二極管箝位型三電平拓撲結構，通過智能化粒子群算法進行參數優化設計，基于電容電流反饋的有源阻尼方法抑制諧振。仿真結果證明，本研究所采用的理論與方法正確可行。通過實驗證明，該系統可以有效降低電網諧波含量，使其控制在5%以內，滿足直流提升系統諧波抑制的要求。

1 系統總體設計

所設計有源濾波系統采用二極管箝位型(Neutral Point Clamped-NPC)拓撲的三電平變換器結構，能夠很好的解決開關器件耐壓不夠高的問題，有效提高裝置容量[7-9]。本研究將其與LCL濾波器結合，得到基于LCL濾波的三電平有源濾波器拓撲結構如圖1所示。

圖1 基于LCL濾波的三電平APF拓撲結構

變流器每相橋臂由4個開關管和2個箝位二極管組成，其中箝位二極管對上、下橋臂中點電壓進行箝位，以保證每相橋臂1次只有1個開關管動作。變流器共可以輸出27個基本電壓空間矢量，除去8個冗余矢量，共有19個有效矢量。合理選擇有效矢量，可以使變流器輸出期望的電流，濾除電網諧波。合理選擇冗余矢量，可以優化開關管的開關順序，以降低開關損耗。

圖2為LCL濾波器的單相等值電路，圖中，L1和R1分別為變流器側電感及其等效內阻，L2和R2分別為網側電感及其等效內阻，Cd和Rd分別為濾波電容及其等效內阻，es為網側電壓，ui為變流器輸出電壓。

圖2 LCL濾波器等效電路

從圖2中可以看出，L2支路和電容支路并聯，然后再與L1串聯，由于電容通高頻、阻低頻的特性，開關頻率附近的大量高頻諧波流經電容支路，從而降低注入電網的諧波分量。

忽略電感的等效電阻R1和R2，得到有源濾波器輸出電流與變流器輸出電壓的傳遞函數如式(1)所示。

(1)

LCL濾波器會在某一頻率處出現尖峰，即產生了諧振，該處頻率稱作諧振頻率，其大小為

(2)

LCL濾波器的幅頻特性可分為2段，在諧振點之前，與單電感濾波器幅頻特性一致，以20 dB/10倍頻程衰減，在諧振點之后，LCL濾波器約以60 dB/10倍頻程的速度衰減，而單電感濾波器仍以20 dB/10倍頻程衰減。因此，與單電感濾波器相比，LCL濾波器不僅可以兼顧低頻段的增益，而且可以兼顧高頻段的衰減，從而具有更好的濾除高頻諧波的能力。

2 LCL濾波器參數選擇

2.1 LCL濾波器參數選擇原則[10-12]

(1)總電感LT的確定。總電感值對有源濾波器的濾波性影響較大，因此選擇合適的總電感值尤為重要。當有源濾波器長期運行時，要想保證有源濾波器有良好跟蹤性能，必須使輸出總電感滿足：

(3)

式中，Udc為直流側母線電壓，[(dic)/(dt)]max為諧波電流最大變化率，可以通過示波器直接測量檢測的諧波信號得到。

(2)變流器側電感L1和網側電感L2的比例關系。當LCL濾波器總電感確定后，L1和L2的比例關系也會對濾波效果產生較大的影響。理論上在總電感量一定的情況下，當L1和L2電感量平均分配的時候LCL的濾波效果最佳，但在參數實際選擇中，還要考慮其他因素，通常取L1=2L2。

(3)電容Cd的確定。引入電容支路主要是給高頻諧波分量提供一個低阻抗的通路，達到更好的濾除開關頻率附近諧波的目的。電容支路的增加，會導致系統無功功率的增加，為避免變流器的功率因數過低，應保證濾波電容吸收的基波無功功率不能大于系統額定有功功率的5%，即：

(4)

式中，fn為系統基波頻率，En為電網相電壓有效值，Pn為有源濾波器額定功率。

(4)諧振頻率的選擇。與整流裝置不同，針對有源濾波器的LCL濾波器諧振頻率的選擇應有所改變，既要使高頻分量充分衰減，又要保證有源濾波器的有效帶寬。因此取諧振頻率為

(5)

式中，fsw為系統功率器件開關頻率，fhigh為所設計有源濾波器能夠補償的最高諧波頻率。

2.2 基于粒子群算法的參數選擇方法

參數選擇的傳統方法需要多步計算，運算量較大，系統參數改變后需要全部重新設計，且不確定所設計的參數是否達到最優。本研究將智能化粒子群算法應用與LCL濾波器參數選擇[13-15]。

PSO算法源自對鳥群覓食行為的研究，屬于進化技術的一種。PSO算法中，存在一個D維目標搜索空間，稱作解空間，每個粒子即為解空間中的一個解，與鳥群中的個體類似，每個粒子都有自己的飛行速度矢量，包括方向和速率，且每個粒子的性能有優劣，這取決于待優化問題目標函數確定的適應值。每個粒子通過調整自身的飛行狀態以追隨最優粒子飛行，并不斷更新群體中的最優粒子，通過這種方式達到一種迭代尋優的目的。

假設一個粒子群中有m個粒子，它們在D維空間的位置組成一個種群可以描述為

(6)

將其代入目標函數，即可得到每個粒子的適應度值，記作f_(x)，該值可衡量粒子的位置優劣。

下面以第i個粒子為例進行分析，假設其飛行速度為

(7)

其飛行過程中所經歷的個體最優位置可以表示為

(8)

可記作pbest(i)，且將與該最優位置對應的適應度值稱為個體最優適應度值，記作f_ pbest(i)。而整個粒子群中經歷過的最優位置稱為全局最優位置可以表示為

(8)

可記作gbest，而與該最優位置對應的適應度值則稱為全局歷史最優適應值，記作f_ pbest。

粒子群算法中每個粒子的速度更新方程可由式(10)表示：

(10)

式中，n=1,2,3,…,N為迭代次數，rand1，rand2為[0，1]之間的隨機數，c1，c2為加速常數，也稱學習因子，ω為慣性權重。在迭代過程中，若某個粒子的速度超出邊界，則取邊界值。

每個粒子的位置更新方程可由式(11)表示：

(11)

式(8)、(9)構成了粒子群優化算法的完整搜索過程。

將粒子群算法用于LCL濾波器參數選型，只需建立一個3維目標搜索空間，根據LCL濾波器參數選擇的約束條件建立粒子最優適應值的數學模型，經過粒子速度和位置更新，反復迭代比較后即可到LCL濾波器的各元器件的最優參數組合值。

3 基于電容電流反饋的有源阻尼控制系統設計

基于濾波電容電流反饋的有源阻尼方法是從虛擬電阻方法中發展而來的。圖3為濾波電容電流反饋方法的控制框圖，與無源阻尼方法相比，該方法只需通過電流傳感器采樣濾波電容支路的電流值，將其乘以反饋系數Kdamo后回饋到電壓控制器中即可，通過改變控制結構，達到抑制諧振的目的[16-18]。

圖3 電容電流反饋的LCL濾波器控制框圖

控制結構改變后，控制系統的傳遞函數也隨之改變，由圖5可以得到系統新的傳遞函數如下：

(12)

式中，Kdamp為電容電流的反饋系數。

式(12)的等價形式可描述為

(13)

式中，

為一個典型的二階振蕩環節，由此可以看出，通過引入電容電流的負反饋控制，即在控制系統傳遞函數的分母項中增加了一個二階振蕩環節，且阻尼比為

(14)

由式(14)可以看出，在電感L1和系統諧振頻率一定的情況下，阻尼比的大小完全由反饋系數Kdamp決定。因此，選擇合理的反饋系數，即可對系統的穩定性產生影響。通過在控制器中引入電容電流的反饋值，同樣可以達到抑制諧振尖峰的目的。

4 仿真與實驗分析

首先搭建MATLAB仿真模型對所設計LCL濾波器及電容電流反饋的有源阻尼方法進行驗證，仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

圖4為補償前后A相電流波形圖，圖5為突然投入電容電流反饋時A相電流波形圖。

圖4 補償前后A相電流波形圖

圖5 突然投入電容電流反饋時A相電流波形

由圖4可以看出，補償前電流諧波畸變嚴重，補償后電流波形正弦度良好，經過傅里葉分析可知畸變率只有0.99%。圖5表明電容電流反饋的有源阻尼方案抑制諧振效果明顯，動態響應快，能夠滿足礦井提升機特殊的工況要求。

在仿真的基礎上設計完成基于LCL濾波的三電平有源濾波器樣機，并進行了相關實驗。實驗中的參數與仿真參數保持一致，如表1所示。

樣機裝置中的功率變換器為二極管箝位型三電平拓撲結構，開關器件選擇適用于中壓領域的IGBT，IGBT驅動板采用Concept公司2SP0320x2Ax集成模塊，直流側儲能電容采用薄膜電容，并通過電容串并聯的形式獲得較高的耐壓等級。控制系統采用DSP+FPGA架構，其中DSP選用TI公司TMS320F28335芯片，FPGA選用XILINX公司Spartan2中的XC2S200FPGA芯片。

圖6為補償前后A相電流波形，直流側母線電壓波形以及有源濾波器的輸出電流波形。從圖中可以看出。補償前電流畸變嚴重，電網電流諧波含量較高，補償后電流正弦度良好，諧波含量僅有4.1%，滿足國家標準，并且直流側母線電容電壓穩定，表明所設計的基于LCL濾波的有源濾波器達到了預期的要求。

圖6 補償后A相電流波形

5 結 論

本研究針對永城煤礦礦井直流提升機系統，設計了基于LCL濾波器的三電平有源濾波器。所設計系統采用在二極管箝位型拓撲的三電平變換器結構，可以滿足礦井提升機系統容量大的工況要求。在論述LCL濾波器參數選擇原則的基礎上，采用粒子群算法進行參數選擇，并通過電容電流反饋的有源阻尼方案進行諧振抑制。通過MATLAB仿真證明了所采用的方法可以很好的滿足礦井提升機特殊工況的要求。樣機實驗證明，所設計有源濾波器可以有效抑制直流提升機電控系統諧波污染，滿足國家標準。

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(責任編輯 石海林)

Research on Three-level APF Based on LCL-filter

Wang Ruihai

(YongchengCoalandelectricityHoldingGroupCo.,Ltd.Yongcheng476600,China)

Part of hoister system in Yongcheng coal mine adopt DC motor speed control devices,which easily brings about harmonic wave and pollutes the grid.To solve this problem,a three-level active filter based LCL filter is developed to reduce harmonic wave.With a diode-clamped three-level topology,the device makes the resonant inhibition through active damping method performed by a capacitor current feedback,and applies the intelligent PSO algorithm to the LCL filter parameters design.The theory and methods used in this paper are proved to be correct and feasible by simulation,which can effectively reduce the harmonics of system.The prototype experiment showed that the developed active filter effectively compensated for harmonics produced in the DC hoist system and controlled the grid harmonic content within 5% to meet the national standard.

APF,LCL Filter,PSO Algorithm,DC Hoister

2014-05-29

王瑞海(1967—)，男，高級工程師，碩士。

TM721

A

1001-1250(2014)-08-111-05