LCL濾波器穩定性分析

郭寶甫，王衛星，鄧超然，徐 軍，孫 芊

(1.國家電網許繼集團有限公司，河南 許昌 461000; 2.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

LCL濾波器比L濾波具有更好的濾波特性，在電感值相同的情況下，濾波效果更好，因此廣泛應用在各種變流器中。但是LCL濾波器本身是三階系統，存在諧振尖峰[1-3]。因此，必須對LCL濾波進行一定的處理。目前常見的處理手段主要是將電阻串聯或者并聯在LCL濾波的電容上。這種方式屬于增加無源負荷，雖然可以在一定程度上削弱LCL的諧振尖峰，但是，引入無源負荷會降低LCL濾波器的高頻特性[4]，并且會引入更多的熱源，從而增大變流器散熱難度，也會降低變流器的工作效率。

目前的研究方向主要是采用虛擬阻抗法實現對LCL諧振尖峰的抑制[5]。但是，LCL由于本身穩定性很差，采用虛擬阻抗法很可能需要進行復雜的調試工作；此外，如果變流器受到外界的干擾，則很容易出現不受控的情況。

1 采樣方式對LCL濾波虛擬阻抗控制的影響

對于采用LCL濾波電路的變流器而言，在進行輸出控制時，其電流電壓的選擇可從變流器側或者電網側進行選擇。兩種采樣方式如圖1所示。

圖1 LCL濾波器示意圖

為了分析兩種采樣方式的區別，本文利用MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真實驗。仿真模型將變流器設定為電流源，并采用直接并網的方式進行運行，因此，輸出口的電壓由電網系統決定，不受到變流器輸出的影響。

1.1 從變流器側采樣

此時，圖1所示的整個系統可以看做是采用電感為L1的L濾波器的變流器經過一個LC濾波器后接入電網。因此，此時的控制方式穩定裕度較大，整個系統容易穩定運行。此時，C和L2就可以看做是外加的LC濾波器，也可以看做是電網的阻抗。

圖2 變流器側采樣控制得到的變流器輸出電流

圖3 變流器側采樣控制得到的變流器輸出電壓

圖4 變流器側采樣控制得到的變流器功率輸出情況

從圖2～圖4的仿真結果中可以看出，變流器輸出電壓和電流十分穩定，并沒有出現諧振問題。說明在該采樣點采樣可以有效提高虛擬阻抗法穩定性。但是，仿真得到的電壓電流存在一定的角度偏差，說明該方法需要變流器提供一定的無功補償。

但是，由于閉環控制并沒有直接從變流器出口進行采樣，因此，可能會存在變流器實際輸出功率與設定值有較大偏差等問題。

1.2 從網側采樣

從網側采樣，缺少對系統內部最可能出現諧振部分的控制，整個閉環控制的穩定性較差,容易出現內部震蕩等問題，這也是LCL濾波需要解決的重要問題。但是，相應的，由于直接從變流器輸出側采樣信號，因此，在變流器穩定運行時，可以很好地控制變流器輸出的有功功率和無功功率。

圖5 變流器側采樣控制得到的變流器輸出電流

從圖5所示的網側采樣仿真結果中，可以看出，從網側采樣，很難保證系統的穩定運行。本文認為造成該情況主要原因是變流器在進行PI控制時，缺少對輸入LCL濾波器波形的控制，導致LCL濾波器中很容易出現諧振頻率附近的諧波，從而導致整個濾波系統出現明顯的諧振情況。

2 變流器功率偏移的解決方案

為了研究變流器功率偏移情況，本文首先分析造成變流器出現功率偏移的原因。圖1所示的變流器并網系統中，變流器直接并聯到電網系統中。因此，變流器并沒有外接負載。

將LCL濾波器分解成L濾波以及CL負載。因此，可以看做負載的部分只有CL，如果把電感和電容當做理想器件，那么變流器側采樣得到的有功功率與變流器實際輸出的有功功率應該是相同的，僅有無功功率存在一定的區別。

為了解決上述問題，本文分別采用開環和閉環控制兩種方式補償無功，并進行了仿真驗證。

2.1 開環控制

由上文分析可知，如果采用變流器側采樣，則LCL濾波器可以分解成L濾波和CL負載，而CL負載的參數是已知的，這樣可以計算得到無功功率，進而實現開環控制。

圖6為LCL濾波器簡化后的示意圖，從圖中可以得到式(1)。

(1)

從式(1)可以看出，由于采用虛擬阻抗法，Vin、i1、ic都是已知量，該式可以求得i2和uout。因此，可以求得電容和電感L2的無功功率Qc和Q2。此時，控制變流器側輸出無功為Qc+Q2就可以實現對無功功率的開環補償。

開環補償的仿真結果如圖7所示。

從仿真結果看出，采用開環補償可以較好的實現對變流器輸出無功的補償。但是開環控制存在對電路參數要求大等問題，在進行無功補償時，需要根據變流器的實際參數進行微調。

2.2 閉環控制

考慮在工程實踐中往往難以對每個變流器進行調試，因此，在控制策略上需要保證具有一定的穩定裕度，從而使得系統能夠在一定參數誤差范圍內均能夠穩定運行。

因此，本文在電流環的參考值確定上，引入變流器輸出的有功和無功功率。通過改變L1輸出電流的參考值，實現對變流器輸出功率的控制。仿真結果如圖8所示。

圖8 閉環控制仿真結果

結合圖7及圖8的仿真結果，可以看出無論采用開環控制還是閉環控制，均可以較好的實現對輸出無功功率的補償，但是開環補償方法需要較大的計算量，且對電路參數較為敏感，往往需要進行一定的調試。

3 結 論

本文針對LCL濾波電路容易出現諧振的問題，分析了在變流器側進行電壓電流采樣及在網側進行電壓電流采樣的穩定性區別，并針對變流器側采樣出現的功率偏移現象給出了解決方法，具有一定的工程意義。