并聯型有源電力濾波器輸出LCL濾波器的設計

梅松濤，謝澎波（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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并聯型有源電力濾波器輸出LCL濾波器的設計

梅松濤1，謝澎波1
（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘要：LCL濾波器是一種濾除逆變器開關諧波的有效手段，具有比L濾波器更優異的性能。為了避免LCL濾波器發生電流諧振，通常需要加入阻尼電阻。本文基于電流最大允許脈動、逆變器開關頻率和阻尼特性要求，提出了應用在三相并聯有源電力濾波器中的LCL濾波器的設計方法，并在詳細介紹設計過程的基礎上，給出了一個設計實例。實驗結果證明了所設計的LCL濾波器和采用的控制策略的可行性和性能優越性。

關鍵詞：CL濾波器諧振電阻電力濾波器

0　引言

隨著電力電子技術的快速發展，各種非線性功率器件的廣泛應用，大量諧波和無功功率注入電網，造成系統效率降低，功率因素變差，嚴重影響電網和用電設備的安全運行[1]。有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）通過向電網注入與原有諧波和無功電流大小相等方向相反的補償電流，可以補償電網的諧波和無功功率、提高電能質量、增強電網的可靠性和穩定性，其良好的濾波性能在國內外引起了廣泛關注[2]。

為了濾除開關諧波，通常將L或LC濾波器引入APF中[3]。由于電網阻抗的不確定，L或LC濾波器有時難以獲得理想的濾波效果。使用LCL濾波器能夠克服由于電網阻抗的不確定性而影響濾波效果這一缺點，可以在較低的開關頻率下，獲得比L和LC濾波器更優異的性能。同LC濾波器一樣，由于LCL濾波器是諧振電路，對系統的穩定性有很大影響，通常需要引入阻尼作用[4]。本文基于電流最大允許脈動、逆變器開關頻率和阻尼特性要求，提出了應用在三相并聯有源電力濾波器中的LCL濾波器的設計方法，并在詳細介紹設計過程的基礎上，給出了一個設計實例。通過實驗，證明了所設計的LCL濾波器和采用的控制策略的可行性和性能優越性。

1　LCL濾波器設計

1.1 并聯型APF系統

三相三線制并聯型 APF 主電路如圖 1 所示。圖中，US為三相電源電壓，Ui為逆變器輸出電壓，iS為三相電源電流，iL是由非線性負載引起的負載電流，i2為補償電流，Cdc和Udc分別表示逆變器直流側電容的容值與電壓值。非線性負載為三相不控整流橋帶純電阻RL負載。L1為逆變橋側濾波電感，L2是電網側濾波電感，Cf為濾波電容。

圖1　三相三線制并聯型APF系統主申路

下面以我們設計的三相三線制并聯型有源電力濾波器樣機為例，設計輸出LCL濾波器。設計所涉及的系統具體參數如下：系統的額定功率P =66kW ；電網基波頻率f=50Hz；電網線電壓有效值主電路直流側電容電壓額定輸出電流主電路開關管的開關頻率APF需要補償的諧波次數N=60。根據以上的推導和代入相關參數，設計LCL濾波器參數如下。

1.2 設計輸出總電感值

并聯型APF的補償性能主要決定于輸出補償電流對于參考電流的跟蹤能力，而APF的輸出電感值決定了補償電流的跟蹤速度，對其性能有很大影響。在一定的直流母線電壓和交流電壓條件下，電感值越大，電流的紋波越小，但電感的電流變化率會變小，導致電流跟蹤能力減弱，同時電感值的增大也會造成設備成本的增加；反之，電感值越小，電感中電流變化率就越大，APF的動態響應速度就越快，但電流的變化也越劇烈，容易造成系統振蕩沖擊，工作不穩定。實際應用中，通常在保證補償性能的前提下，盡量選擇較小的電感值。因此，根據補償電流最大允許紋波條件決定逆變器總電感的取值為：

其中，△imax為開關頻率處諧波電流允許的最大脈動，一般取20%的額定輸出電流Im。

1.3 確定逆變器側電感L1和網側電感L2的電感量

已有論文證明，若L1和L2均分總濾波電感量，則濾波器有最佳的濾波效果。考慮到逆變橋紋波電流由L1決定，較高的紋波電流將導致功率模塊和電感較大的損耗；而電網側電感L2過大，會降低APF的動態性能。因此，在諧振頻率和無功要求都滿足時，L2取值應盡量小。所以，L1比應適當取大。通常，L1為總濾波電感量的60%～70%是較為合理的。綜合考慮濾波效果和紋波電流影響，我們取L1和L2的電感量分別為：

1.4 確定濾波電容Cf

電容Cf支路對基波和低頻諧波呈現出高阻抗，但是對于高頻諧波呈現低阻抗，高次諧波流經電容支路會產生無功電流，注入的無功電流與電容值成正比，導致系統側功率因數下降；系統的諧波電流衰減比與電容值成反比，電容值越大系統的諧波衰減比越小，但是電容值的增大帶來的負面影響是不可忽略的，減小諧波衰減比可以利用其他的參數配置來實現。選取電容的原則是電容值應該選擇地盡量小，以保證它帶來的影響可以完全忽略。電容的選擇與系統的額定功率有關，通常經驗上將系統額定功率的百分之五作為濾波電容引起的無功功率的閾值，不超過該閾值即可：

另外，濾波電容Cf的取值將影響整個LCL濾波器的諧振頻率fres。一方面，要使LCL濾波器取得一定的高頻衰減特性，諧振頻率fres應足夠低，即當總濾波電感一定時，濾波電容Cf在滿足無功要求時，應盡量大。另一方面，經過LCL濾波器除了有高頻開關諧波外還包括補償的低次諧波。當fres過小時，低次諧波電流將通過LCL濾波器得以放大，使補償效果變差。為避免電網電流畸變，fres應該盡量取高值。對于其他場合應用的LCL濾波器，一般要求諧振頻率位于10倍基頻和一半開關頻率之間。但在APF中，這個設計規則顯然需要修改，要求諧振頻率位于APF補償的最大諧波頻率和一半開關頻率之間，諧振頻率應盡量靠近開關頻率的一半，以保證在高頻衰減的同時，避免低次諧波被放大。

其中，N為APF需要補償的諧波次數；f為電網基波頻率；fsw為APF開關頻率。

由式可得濾波電容Cf的取值范圍為

1.5 確定阻尼電阻Rd

當總電感和濾波電容確定之后，LCL濾波器的諧振頻率可以確定：

阻尼電阻Rd加入濾波電容支路是為了衰減LCL 濾波器的諧振峰值，降低諧振對系統性能的影響。如果Rd選擇過小，抑制系統諧振的能力不足，主要體現在衰減諧振峰值的能力，而且導致系統損耗上升；增大電阻Rd，雖然可以一定程度上減小系統的損耗，但是卻帶來了對高頻段諧波衰減能力降低的弊端，同時也降低了開關諧波的衰減比。一般將Rd選取為諧振頻率處電容阻抗：

1.6 確定LC旁路的Lh和Ch

與阻尼電阻Rd并聯的LC旁路，其串聯諧振頻率必須設計在開關頻率附近，以使開關電流從LC旁路流過，減小流過阻尼電阻Rd的開關電流，以減小系統損耗：

2　實驗結果

為了驗證所設計的LCL濾波器的有效性，在三相三線制APF樣機上進行了實驗研究，系統參數與設計中的一致。非線性負載為三相不控整流橋帶純電阻負載，直流電壓參考值設為700 V。 APF諧波檢測方法為傳統瞬時無功功率法，直流側電壓環采用 PI 控制，電流控制采用基于 PI 的SVPWM調制控制策略[5,6]。

圖 2 為未接入 APF 進行諧波補償時電源電流波形。由圖可知，補償前電源電流發生嚴重畸變，為非正弦波形，含有大量諧波分量，總的諧波畸變率（THD）為 29.45%。從波形上看，符合三相不控整流帶電阻負載的特征。

圖2　補償前申源申流波形

圖 3 為投入 APF 后穩態時系統的電壓和電流波形。由圖可看出，APF 直流測電壓控制環和電流控制環均能正常工作，APF 直流側電壓很好的穩定在預設的700 V，波動很小。APF 輸出的補償電流很好地補償了系統諧波，電源電流經補償后接近正弦波，其 THD 值由 28.45% 降至4.59% ，改善了電源電流質量，達到國標標準。實驗結果證明，采用本文所提出的LCL濾波器設計方法和控制策略，APF 能輸出諧波補償電流，同時對開關諧波有很好的濾除效果，使 APF 取得理想的補償效果。

圖3　穩態時系統的申壓和申流實驗波形

3　結論

LCL濾波器是一種濾除逆變器開關諧波的有效手段，為了避免LCL濾波器發生電流諧振，通常需要加入阻尼電阻。本文基于電流最大允許脈動、逆變器開關頻率和阻尼特性要求，提出了應用在三相并聯有源電力濾波器中的LCL濾波器的設計方法，并結合實例詳細介紹了設計過程。實驗結果證明了所設計的LCL濾波器能有效的抑制開關諧波，保證了APF 的補償效果。可將其推廣到不同額定功率、額定輸出電流、開關頻率的APF中。

參考文獻:

[1] 李戰鷹，任震，楊澤明.有源濾波裝置及其應用研究綜述[J].電網技術,2004,28（22）:40-43.

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[3] 武健，何娜，徐殿國.重復控制在并聯有源濾波器中的應用[J].中國電機工程學報,2008,28（18）:66-72.

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Design of Shunt Active Power Filter Output LCL Filter

Mei Songtao,Xie Pengbo
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract:LCL filter is an effective way to eliminate harmonics of the inverter switching.It has superior performance than L filter.This article proposes a design method of three-phase shunt active power filter LCL filter on the basis of the requirements of the maximum allowable ripple current,the inverter switching frequency and damping characteristics,given a design example.Experimental results demonstrate the feasibility and performance advantages of the designed LCL filter and the use of control strategies.

Keywords:LCL filter;current resonance;damping resistors;active power filter

作者簡介：梅松濤（1985-），男，工程師。研究方向：電力電子技術。

收稿日期：2015-08-09

中圖分類號：TM48

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2015）11-0045-04