三相四橋臂PCS的LCL型濾波器的設計

三相四橋臂PCS的LCL型濾波器的設計

陳海濱，湯雪華，鮑立成，陳江洪

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院，上海 200070

摘要：PCS(Power Conversion System)是基于3D-SVPWM(三維空間矢量調制技術) 技術的雙向儲能變流器，也是電池儲能系統和整個微網系統中最重要的電力電子裝置。由于變流器使用IGBT等高頻開關器件，所以形成大量高次諧波信號，不論離網還是并網，都會嚴重影響電能質量。基于三相四橋臂拓撲模型，提出并設計了針對三相四橋臂的LCL(電感、電容和電感)型濾波器，有效地解決了PCS輸出波形含有高次諧波的問題，并且通過參數優化減少了電感使用個數和系統的動態性能。通過Matlab中Simulink的仿真，驗證了設計的正確性。

關鍵詞：儲能變流器； 三相四橋臂； LCL濾波

近年來我國的霧霾問題越來越嚴重，從華北地區蔓延至華東和華南地區，人們對于霧霾怨聲載道，而新能源成為一個越來越重要的課題被提上議程。國家能源局在2011年12月發布了《國家能源科技“十二五”規劃(2011—2015)》中指出，“十二五”期間，我國可再生能源還將繼續大規模發展，《規劃》指出，到2015年可再生能源發電量要爭取達到總發電量的20%以上1]。《規劃》中最能體現儲能機遇的是，到2015年，我國將建成30個新能源微電網示范工程。這些示范工程以智能電網、物聯網和儲能技術為支撐，“自發自用、余量上網、電網調劑”是其目標。所以雖然目前儲能系統的市場前景不明朗，但是在國家的大力支持下商機無限。

很多公司都以光伏逆變器為基礎，研發出了自己的儲能變流器(PCS)，但是能夠離網運行的三相四線制儲能變流器仍然是一大空白。本文研究的儲能變流器是基于三相四橋臂拓撲為基礎的新型儲能變流器，它的優勢在于采用第四橋臂專門用來抑制由于不平衡負載帶來的零序電流，使三相電壓平衡，為儲能變流器的發展提供新的可能2]。由于儲能變流器采用了高頻率的IGBT等開關器件，會產生大量的諧波，所以濾波電路的設計就極其重要了。本文主要論述專為三相四橋臂變流器設計的LCL型濾波電路,相比于傳統的L型濾波器，LCL型濾波器具有成本低、體積小的優勢3]。

1拓撲結構和基本原理

從圖1中可以看出，負載R1、R2和R3并不是平衡負載，所以電流i4、i5和i6也不是平衡電流。但是由于采用了三相四橋臂拓撲、電壓分序控制算法和3D-SVPWM(三維空間矢量調制技術)，所以負載上的三相電壓是平衡的，而且C1、C2和C3是容值相同的電容，所以根據歐姆定理，電容上的電流是平衡的。由此，根據電流基爾霍夫定律，i7=i8。

圖1　三相四橋臂

在G點運用基爾霍夫電流定律和歐姆定律：

i7=i4+i5+i6

(1)

由于VEG、VJG和VHG為三相交流電壓，所以進行拉普拉斯變換后：

(2)

式中： ω為基波角頻率。

將式(2)代入式(1)，得：

(3)

在E點運用基爾霍夫電流定律和歐姆定律：

i1=(1+C1sR1)i4

(4)

由基爾霍夫電壓定律：

VAF=L1si1+i4R1-(-i7L4s)

(5)

將式(4)代入式(5)，得：

VAF=L1s(1+C1sR1)i4+i4R1+i7L4s

=(L1s+L1C1R1s2+R1)i4+L4si7

(6)

再將式(3)代入式(6)，得：

(7)

最終得到負載電流i4和三相四橋臂逆變器輸出電壓VAF之間的傳遞函數為：

(8)

同時相應采用L(電感)濾波，則負載電流和輸出電壓的傳遞函數為：

(9)

取實際電感值為L1=4mH，電阻值R1=5Ω，則：

(10)

L濾波傳遞函數通過Matlab軟件進行波特圖的繪制，如圖2所示。

圖2　L濾波傳遞函數波特圖

取與L濾波相等的電感值L1=L4=2mH，R1=5Ω，R2=10Ω，R3=5Ω，ω=314rad/s，C1=50μF。代入式(8)，得：

(11)

LCL濾波傳遞函數通過Matlab軟件進行波特圖的繪制，如圖3所示。

圖3　LCL濾波傳遞函數波特圖

由圖2和圖3中可以看出，在電力電子的功率設備的開關頻率10kHz到100kHz內，采用L濾波的濾波器是以-20dB/dec(分貝/十倍頻程)衰減的，而采用LCL濾波的濾波器是以-40dB/dec衰減的。在相等電感值的情況下，說明LCL濾波有明顯的優勢，衰減倍數是L濾波的兩倍。在產品級的電力電子設備中，電感或者說電抗器的體積和成本是設計者最關心的指標，如果能減小電感量，使儲能變流器的體積和成本大大減小的話，無疑能夠使產品更具有競爭力，所以LCL濾波有很大的優勢。

2LCL濾波電路參數設計

2.1　電感參數計算

電感L(L1=L2=L3=L)的大小直接決定了輸出電流的紋波大小4]，一般系統最大允許紋波電流ΔImax為額定電流的15%~25%，本系統中ΔImax取額定電流的20%。

(12)

對式(12)進行牛頓萊布尼茲變換和離散化可得：

(13)

在一個開關周期內，由伏秒平衡原理可得：

Vo(1-D)Ts=(Vdc-Vo)DTs

(14)

將式(14)代入式(13)，得：

(15)

(16)

故L值為：

(17)

將Vdc=900V、Ts=100μs、ΔiLmax=0.5×20%×50000/220=22.8A代入式(17)，得：

L≥0.99mH

考慮到實際中需要留有一定的余量，則取：

L=1mH

2.2　電容參數計算

LCL濾波器中電容C(C1=C2=C3=C)設計時，既要考慮電容上吸收的無功功率，又要考慮LCL濾波器的諧振頻率等因素，濾波器的諧振頻率fk與電感L、電容C的關系為：

(18)

當電感L不變時，增大電容能夠減小諧振頻率，有利于抑制高頻諧波。但隨著諧振頻率的減小，輸出諧波電流中在諧振頻率附近的低次諧波電流的幅值又會增大5]。

電流內環的頻率控制帶寬要小于諧振頻率，如果諧振頻率過小，電流內環存在設計困難。但是如果濾波電容過大，它吸收的無功功率也會過大，這必然導致電流諧波過大，影響整個逆變器的輸出性能。故濾波電容C的選擇需要綜合考慮，不宜過大或過小。

為了使輸出的功率因數不會過低，一般選擇電容上吸收的無功功率小于額定輸出功率的5%，則：

ωCVo2≤5%Po

(19)

式中：Po為輸出功率；ω為角頻率。

代入參數計算，得：

C≤164μF

如果要取得比較良好的效果，濾波電路的諧振頻率不能設置過高。為了降低電流內環的設計難度，濾波器的諧振頻率也不能設置過低，一般取濾波電路的諧振頻率大于10倍的電網基波頻率，小于1/5開關頻率。本文所設計的三相四橋臂逆變器的開關頻率為10kHz，所以得出以下公式：

(20)

代入具體參數后，得：

6.33μF≤C≤101μF

綜合考慮后，取濾波電容為50μF。

3仿真實驗結果分析

3.1　仿真模型搭建

本文用Matlab仿真軟件進行算法的驗證。如圖4所示，由于是三相四橋臂的仿真模型，所以Matlab中沒有完整的拓撲結構，必須采用一個三相三橋臂的拓撲和一個單相的橋臂進行合成。為了驗證LCL的仿真效果，本文搭建了LCL的濾波回路，其中L1、L2、L3、L4、C1、C2、C3組成了LCL濾波回路，R1、R2和R3組成負載，進行算法驗證。圖5所示為通過L1、L2和L3建立的L濾波的仿真模型，說明兩種濾波模型的效果。由于本文的重點是濾波電路的設計，具體的電壓分序算法和3D-SVPWM調制方法在此不再贅述6]。

圖4　三相四橋臂LCL濾波仿真模型

圖5　三相四橋臂L濾波仿真模型

3.2　實驗結果分析

將2個仿真模型在相同實驗、取相同電感量1mH的條件下，進行對比實驗。

如圖6和圖7所示，L型濾波器在電感為1mH的條件下濾波效果不理想，特別是總諧波系數達到21.48%，不能達到預期和并網條件，更無法進行離網控制。

圖6　三相四橋臂L型濾波波形

圖7　三相四橋臂L型濾波FFT分析

如圖8和圖9所示，LCL型濾波器在電感為1mH的條件下濾波效果非常理想，特別是總諧波系數達到0.07%。相比于L型濾波器，LCL型濾波器在相同電感量的條件下，能夠達到非常良好的濾波效果。在工程實際中，工程設計人員可以選取較小的電抗器，不僅能大大減小逆變器的體積，也能節省逆變器的成本，為工業設計提供了良好的基礎。

4總結和展望

PCS是分布式能源的關鍵電力電子設備，可解決儲能系統和微網系統的能量傳輸問題。而三相四橋臂拓撲的PCS是解決微網在離網運行時由不平衡負載帶來的不平衡電壓問題的最新技術手段，是未來電力電子的發展方向。本文涉及的LCL型濾波是三相四橋臂特有的濾波電路，它區別于普通的三相三橋臂的濾波電路，創新地在第四橋臂也加上了電感，相比于單純的L型濾波，在濾波效果上大大增強，本文從理論上論證了LCL型濾波器的優越性，而且在仿真實驗中也驗證了LCL型濾波的優勢。

圖8　三相四橋臂LCL型濾波波形

圖9　三相四橋臂LCL型濾波FFT分析

分布式能源是解決未來能源緊缺和環境污染的可靠途徑之一，而PCS在其中起著重要的作用。但是由于儲能設備的成本居高不下，相應的儲能變流器市場也未打開。但是在不久的將來，隨著更低成本和更高性能鋰電池的出現，儲能變流器的未來將更加廣闊。

參考文獻

1] 閆淑萍.國家能源科技“十二五”規劃(摘選)J].河北化工,2012,35(8)： 1-5.

2] 陳紅兵.儲能功率變換系統(PCS)四橋臂功率變換器及其控制設備D].合肥： 合肥工業大學,2013.

3] 劉飛,查曉明,段善旭.三相并網逆變器LCL濾波器的參數設計與研究J].電工技術學報,2010,25(3)： 110-116.

4] 陳玲.離網型風力發電系統三相四橋臂逆變器D].合肥： 合肥工業大學,2009.

5] 潘冬華,阮新波,王學華,等.提高LCL型并網逆變器魯棒性的電容電流即時反饋有源阻尼方法.中國電機工程學報,2013,33(18)： 1-10.

6] Tuyen D Nguyen, Hong-Hee Lee. The Control Strategy for a Four-leg Indirect Matrix Converter with Unbalanced LoadC]. IET Conference on Renewable Power Generation (RPG 2011), Edinburgh, UK, 2011.

A Design of LCL Filter in 3-phase 4-leg PCS

ChenHaibin,TangXuehua,BaoLicheng,ChenJianghong

Shanghai Electric Group Co.,Ltd. Central Academe, Shanghai 200070， China

Abstract:PCS (Power conversion system) is a bi-directional power conversion system based on 3D-SVPWM technology (3-D space vector pulse width modulation) and it is the most important power electronic devices in battery energy storage system and in the micro-grid system as well. Due to the use of high-frequency switching devices such as IGBT in the converter, a large number of high-order harmonic signals will be formed to affect the power quality seriously, regardless of off-grid or on-grid. Three-phase four-leg LCL (inductance, capacitance and inductance) filter was designed based on 3-phase 4-leg topology model that could solve effectively the problem i.e. PCS output waveform contains high order harmonics. The number of inductors in use may be reduced and the dynamic properties of the system may be improved via parameter optimization. The correctness of the design was demonstrated through simulation in Simulink of Matlab.

Key Words:Power Conversion System; 3-phase and 4-leg; LCL Filter

中圖分類號:TN 35

文獻標識碼:A

文章編號：1674-540X(2015)01-019-06

作者簡介：陳海濱(1988-)，男，研究生，工程師，主要從事電氣傳動、自動化控制的研究工作，
E-mail： chenhb@shanghai-electric.com

收稿日期：2014-10-21