用于APF并網LCL濾波器分析和設計

2015-06-25 02:51:20李迎世

電氣傳動自動化 2015年5期

關鍵詞：系統

李迎世

（甘肅長城電工集團有限公司，甘肅蘭州730000）

1 引言

有源電力濾波器，是采用現代電力電子技術和基于高速DSP器件的數字信號處理技術制成的新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流，并將模擬電流信號轉換為數字信號，送入高速數字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調制（PWM）信號形式向補償電流發生電路發送驅動脈沖，驅動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流并注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。

將DC直流源通過功率器件變為交流諧波，需要保證交流電源達到一定的指標，需要低諧波含量、高功率因數，才能夠并入污染網絡。典型的方法就是在電網與功率器件之間串聯電感器作為濾波器。然而，為了減小開關頻率附近的高次諧波，需要采用電感值很大的電感器。高功率設備通常在百千瓦以上，大電感值的電抗器造價相當昂貴，且電感器體積太大，使得系統的動態響應變差。為解決電感濾波器碰到的難題，一般選擇LCL濾波器來代替純電感L濾波器。LCL濾波器可以選取較小的電感電容值，在千瓦至上百千瓦之間實現滿意的濾波效果，典型逆變器并網框圖如圖1所示。與傳統拓撲結構不同的是，將電抗器分為網側電抗器Lg和變流器側電抗器Li，網側電抗器和變流器側電抗器之間是三個星形聯結的電容器Cf。這種結構的網側電感Lg實際上可以等效到電網阻抗，即增加了電網等效支路的阻抗，從而給電容參數選取留有裕量，也減小了電容的體積。變流器側電抗器Li除濾除高次諧波外，還具有升壓和能量交換的功能。LCL濾波器的設計，既能提高系統的動態響應能力，又能滿足系統對諧波控制的要求。

圖1 典型逆變器并網框圖

但是，對于LCL諧振網絡，如果參數設計不合理，對系統的穩定性就有很大影響，還有可能起到相反的濾波效果。本文在深入分析LCL數學模型及濾波原理的基礎上，指出設計中如何選擇最優參數，分析各個參數對整流器濾波效果的影響，推導出交流側電感與濾波電容之間的關系式，進而求得濾波電容和電感的值，并且仿真分析了濾波電容回路有無阻尼電阻時，系統對不同諧波的響應狀態。

在上述基礎上，給出100kW并網系統中LCL濾波器的三相仿真波形，驗證了理論設計的正確性，并且與傳統的L濾波效果相比較，得出在相同電感量情況下，LCL的濾波效果要好得多。

圖2 LCL濾波器單相電路拓撲

2 LCL濾波器分析設計

2.1 LCL濾波器的傳遞函數

為了獲得LCL濾波器的傳遞函數，假定電網是三相對稱的，每相的濾波器件特性是一致的，這樣只分析單相就可以代表三相。圖2為LCL濾波器單相電路拓撲圖，適用于其它兩相。根據基爾霍夫定律得：

式（1）到（4）中，Ri、Rg是電感的等效電阻，在回路中實際沒有具體器件，RC是具體的電阻器件，串聯在濾波回路中，統稱阻尼電阻。圖3為LCL濾波電路轉換后在S域的方框圖。

圖3 LCL濾波電路轉換后在S域的方框圖

LCL濾波器傳遞函數定義為：

通過推導式（1）至（4），可以得到如下的傳遞函數：

2.2 系統額定值計算公式

在進行MATLAB系統仿真時，通常會用到標么值的計算，下面的3個公式分別給出了系統的參考值計算公式，通過參考值的比較，就可以得到標么值。標么值計算可以參看MATLAB仿真軟件幫助文件。

2.3 濾波器設計的限制條件

考慮到LCL濾波器屬于三階的濾波網絡，應用于工業設備中，對于參數的選擇需要有一定的約束條件，這樣可以保證很好的性價比。

（1）濾波電容滿足：Cf≤0.05Cb或者無功功率補償，防止過補償；

（2）濾波電感滿足：Lg＋Li≤0.01Lb，對于大功率設備要注意飽和問題；

（3）諧振頻率滿足：10ffund≤fres≤fsw／2，避開會出現的主要特征頻率點。

2.4 濾波電感Lg和Li的選取

通過推導，可以得到LCL濾波器的諧振頻率fres:

定義：m＝Li／Lg，L＝Li＋Lg。在并網系統中，希望L越大越好，濾波效果會更好。但是過大的L也會影響逆變設備電流的跟蹤能力和系統的響應速度。需要權衡考慮L的量值，可以根據章節2.2的約束條件計算確定。

在濾波網絡中，L的總量很重要，Li和Lg的比值m也很關鍵，m越大，對開關頻率以及更高頻率的諧波衰減就越高，但是也不能太大，尤其在弱電網中，由于阻抗的變化，m值太大會影響電網的穩定性。

通常選取2≤m≤10，其具體的設定值與諧振頻率的設定有直接的關系。

2.5 濾波電容Cf及其阻尼電阻Rc的選取

LCL濾波器作為諧波并網的設備，不但要控制電流諧波含量,而且要控制電壓諧波含量,Cf的大小將直接影響并網電壓波形的優質與否，而且還關系到功率因數的高低問題，因此Cf的選取也很重要。

對于Cf的選取，有兩種算法。如果依據章節2.2的約束條件就可以直接得出電容容量。如果按照無功功率計算，就應根據式（11）進行計算，應滿足:

下面主要分析阻尼電阻Rc的作用和選取原則。LCL 濾波器自身存在著諧振,PWM并網設備是典型的諧波發生器,它產生的某次諧波電流可能會對濾波器的諧振產生激勵,這就會導致該次諧波幅值突然增大，輸入電流發生振蕩，出現系統過流故障或者損壞設備。為了抑制諧振，提高系統的穩定性和可靠性，可以在LCL濾波器中加入阻尼元件Rc,這種方法抑制諧振非常有效，目前是國內國外大型并網和PWM整流設備中典型的應用方案。

為了說明阻尼電阻Rc在抑制諧振方面的作用,首先推導出有無阻尼電阻Rc的傳遞函數。為了突出阻尼電阻Rc的作用，現在假設Ri＝Rg＝0，根據公式（6）可以推導出G（s）和H（s）兩個傳遞函數，G（s）代表沒有電阻Rc，H（s）代表沒有電阻Rc。

圖4 有無阻尼電阻Rc的幅頻響應對比圖

將函數G（s）、H（s）利用Matlab 函數做出它們的幅頻Bode圖進行比較,如圖4所示。從圖中可以看出,曲線1是G（s）的幅頻響應曲線，G（s）的Bode圖上有2個幅值很大的尖峰,諧波電流在峰值處會被放大,增大了諧波的畸變率，通過測量，能夠準確得出諧振點的頻率值。另一條曲線是H（s）的幅頻響應曲線，由于在濾波器的電容支路上串聯了阻尼電阻，可以看出，曲線上兩個諧波放大點幾乎沒有了，曲線很平滑，不會對諧波電流在特定的點產生放大作用。由此可以看出，通過增加阻尼電阻Rc，有效地抑制了諧振的發生，增強了系統的可靠性，提高了系統的穩定性。