基于LCL濾波的AFE在船舶變頻器的應用

魏玲玲

（湖南工貿技師學院，湖南 株洲 412001）

0 引言

在電力推進船舶中，大功率的船舶電力推進系統作為主要的非線性負載，對船舶電力系統造成諧波污染，嚴重時影響船舶電機、通信導航設備、儀器儀表設備等正常運行。船舶電站較陸用電站容量小且脆弱，控制船舶電網的THD（Total Harmonic Distortion，總諧波失真）在船舶電力推進系統設計中至關重要[1]。各國船級社要求船舶低壓配電網中電壓的THD<5%，有的甚至對單次諧波含量作出明確限定。

網側前端采用PWM整流控制可實現單位功率因數運行、降低船舶電網THD及對電網友好等優勢。傳統AFE網側采用L濾波器，為滿足并網諧波要求，需較大電感值，增加損耗、成本以及影響系統響應的快速性。LCL濾波較L濾波在成本、降低THD、控制系統快速性等方面的優勢明顯[2]，但LCL濾波器本身的三階系統易引起諧振，需增加阻尼消除諧振影響[5，6]。

本文主要就基于LCL的AFE的應用問題進行詳細參數設計和仿真研究，首先介紹AFE的拓撲結構；其次詳細分析了并網LCL濾波器幅頻特性，推導了LCL濾波的AFE數學模型；最后以船舶變頻器為例對LCL濾波器參數進行設計，并通過Matlab/Simulink對系統進行仿真，綜合驗證LCL濾波的AFE方案的優越性。

1 AFE拓撲結構

船舶電力推進變頻器網側前端AFE整流系統主電路如圖1所示，系統由前級Lg、Cf、Lf構建LCL濾波器和后級PWM整流器構成。Rg和Rf在實際中非常小，進行控制時可忽略不計。AFE與多脈波整流的區別即為采用全控型IGBT器件取代整流二極管，構建與逆變器模塊結構一致的整流變流器，僅將輸入輸出進行對調。

圖1 LCL濾波的AFE主電路拓撲

圖中，Lg為網側電感；Rg為Lg的寄生電阻；Lf為變流器側電感；Rf為Lf的寄生電阻；C1為濾波電容（此處為△接法，轉換為Y接法為Cf，且C1=Cf/3）；Cd為直流母線電容；RL為負載電阻；es為模擬船舶電網三相電源。

2 LCL濾波器分析

假設三相平衡，將整流器交流側輸出等效為電壓源并忽略電感寄生電阻，建立單相等效電路如圖2所示。

圖2 LCL濾波器單相等效電路（低頻模型）

對LCL濾波器低頻模型列寫變流器交流側電壓u（s）與網側電流ig（s）的傳遞函數如式（1）所示，圖2中去除濾波電容即為L型濾波器，L型濾波器輸入輸出傳遞函數如式（2）所示。

式中，LT=Lg+Lf為濾波電感和網側電感之和。LCL型濾波器為三階系統，在某一頻率范圍內，系統會產生諧振，影響系統穩定性，諧振角頻率為ωres，具體如式（3）所示。由此繪制G1（s）和G2（s）的波特圖，如圖3所示。

圖3 L型與LCL型濾波器的波特圖

由圖3知，當ω＜ωres時，LCL型和L型濾波器在低頻段的特性一致，幅頻特性以-20 dB/dec衰減；當ω＞ωres時，在高頻段，相同的電抗器參數值下，LCL型濾波器以-60 dB/dec衰減，L型衰減速率不變。在同樣濾波效果下，LCL所選用的網側和變流器側電感值之和小于單L型濾波器，電抗器減小的同時，系統在電抗器上的損耗減少，無論是成本還是濾波性能上都占有優勢，但需要采取一定措施對LCL濾波器的諧振加以抑制。

3 AFE控制策略

AFE的控制目標是實現變流器前端單位功率運行或有源逆變，通過對三相橋臂的PWM控制，調制波采用基波與船舶電網同頻率、幅值成比例的三相電壓信號與三角載波比較生成相應PWM信號，驅動IGBT實現對整流器輸入電流的控制。由于船舶電網的特殊性，前級連接為柴油機和電勵磁同步電機構建的獨立的發電系統[8]，多余的能量無法回饋至船舶變流器前端，中間直流電壓過高時，需經由斬波環節釋放能量。AFE保證單位功率運行，減少對船舶電網的諧波污染。

對圖2所示AFE電路進行分析，在低頻時，Cf相當于開路，此時LCL等效為LT濾波器（LT=Lg+Lf）。將三相abc坐標系下的PWM整流器模型經旋轉變換至同步坐標系dq下的模型（4）和（5）所示。

式中，ed，eq為電網電動勢的 d，q 軸分量；ud，uq為變流器交流側電壓的d，q軸分量；id，iq為網側電流的d，q軸分量；R為電阻，R=Rg+Rf，通常很小，可忽略；idc，vdc為直流側電流和電壓；p為微分算子。

式（4）為電路電壓方程，式（5）為前后級的功率方程[3，4]，id，iq分別為有功和無功電流，在控制環節中分別控制有功和無功功率。要實現功率因數可調，需要對id，iq分別單獨控制，兩者存在耦合，采用前饋解耦控制策略。在電流內環中，對id，iq采用PI控制器，目標電壓矢量u可由（6）式生成。

電壓外環則主要用于穩定直流電壓。要實現單位功率運行，只須令＝0，系統所需功率僅由有功電流提供，給定直流電壓和實測電壓差值經PI調節器后即為有功電流。變流器前級采用LCL濾波器，在控制環節采用電容電流乘以相應比例系數的“虛擬電阻法”消除諧振影響。系統整體控制框圖如圖4所示。

圖4 AFE控制框圖

4 仿真研究

針對LCL濾波器的AFE在船舶變頻器中應用，利用計算出的LCL濾波器參數，對LCL濾波的AFE控制的靜態和動態性能通過仿真和試驗進行驗證。見表1。

表1 LCL濾波器設計參數

AFE前端發電系統采用電壓源串聯電勵磁同步發電機的等效電抗Xeq，Xeq可近似由（7）式確定，其與系統的諧波有關[7]。

濾波電容采用三角型接法，其后負載用電阻代替逆變器和異步電機，對AFE額定功率下系統的運行情況進行仿真，結果如圖5所示。網側輸入電流高頻分量很小，中間直流電壓維持700 V不變，網側輸入電流諧波含量明顯低于變流器側電流。仿真結果表明：（1）系統運行良好，LCL濾波器濾波特性良好，設計參數均能滿足系統對THD=5%的要求；（2）變流器側模塊電流和網側電流THD比較如表2所示，B組LCL濾波效果優于A組；（3）對比A，B兩組數據，適當增大變流器側電感可明顯降低變流器側和網側電流諧波含量，但考慮到成本和系統諧振頻率的限制，要綜合考慮變流器側電感的取值。

表2 AFE靜態指標

圖5 LCL濾波AFE仿真曲線（A組參數）

圖6 LCL濾波AFE仿真曲線（B組參數）

5 結束語

本文采用LCL濾波的AFE取代傳統的移向變壓器+多脈波整流方案，其具有體積小、功率因數高、THD小等優點。重點研究了LCL濾波器參數計算選取的原則和方法。對AFE采用電壓環和電流環雙閉環控制策略，為消除LCL的諧振，采用“虛擬電阻法”加以抑制，通過仿真和試驗對系統采用不同LCL參數下，系統的控制性能進行研究，結果表明適當增大變流器側電感降低系統諧波含量，但也受成本和諧振頻率制約。后期將對系統接入實際電機負載進行實際驗證，有些參數仍需要不斷調整和優化，也可對系統從功率控制角度進行其他控制算法的探索。