大功率變頻系統LCL濾波器研究

毛翔 劉鎏 朱建平 葉奇 韓劍波

摘 要隨著變頻系統功率的不斷增大，對濾波器的濾波效果和體積要求越來越高。相比傳統的L型濾波器，LCL濾波器對高次諧波抑制能力強，占用體積更小。本文對LCL濾波器參數設計進行了研究，并利用Matlab/Simulink建立模型，仿真結果驗證了濾波器設計方法的有效性和可行性。

關鍵詞LCL濾波器;參數設計;變頻系統

0 引言

近年來，變頻系統應用越來越廣泛，包括新能源發電、電機拖動、軌道交通牽引等，功率也不斷提升。在電能轉換過程中，會產生大量的諧波，需要加裝濾波器改善系統輸出電能質量。常用的濾波器有L型、LC型、LCL型等。L型濾波器為一階濾波器，其結構簡單，通用性強。LCL濾波器為三階濾波器，對高次諧波有著很強的抑制能力，其內部包含兩個電感，在總電感量與L型濾波器相同時，其輸出的電流諧波畸變率更小。圖1為LCL型濾波器頻率響應圖，從圖中可以看出，在低頻段，下降斜率為-20，而在高頻段，下降斜率迅速增加為-60。從頻率響應圖中還可以看出，在諧振點處，幅值會發生突變，將嚴重增加輸出電流畸變，甚至可能破壞整個系統的穩定性，導致嚴重后果。因此，需要對LCL濾波器參數設計開展詳細研究。

1 LCL濾波器限制條件

不同于一階L濾波器的設計，三階LCL濾波器沒有直接的計算公式，需要在滿足一定約束條件下，進行反復試取。同時，還要按照實際工程經驗進行簡化計算。

1.1 總電感約束條件

圖2所示為風電變流器電網側的矢量關系圖。圖中，E為電網側的電壓，VL為濾波器電感上的電壓（總電感LL=Ll+Lg，Ll為變頻器側電感，Lg為電網側電感），V為變頻器側的電壓矢量，iL為流過濾波器電感的電流，Φ為電網側電壓與電流的夾角，cosΦ為電網側的功率因素角。P為圓上任一點，P在圓周上的運動時，代表著變頻器工作于不同的工況。

1.2 諧振頻率約束條件

變頻運行時產生的高次諧波為功率開關器件開關頻率fsw的整數倍，為了防止設計的LCL濾波器產生諧振，諧振頻率fres應不大于fsw，考慮到fsw/2附近諧波電壓較小，因此，一般將fres的上限值設計為fsw/2。

fres的選取還應避開電網頻率fn的整數倍，如2fn、3fn、……等。但需要設置下限值，否則將會影響系統的穩定性。諧波的幅值與諧波次數成反比例關系，10fn以后，諧波幅值變得很小，因此，一般將fres的下限值設計為10fn。

2 LCL濾波器參數設計

2.1 濾波電容參數設計

濾波電容Cf的設計一方面要考慮濾波效果，電容值取越大越好;另一方面，為了降低電容上消耗的無功功率，電容值需要進行限制。在工程應用上，電容上消耗的無功一般要求在風電變流器總的額定功率P的5%以內。于是有：

2.2 阻尼電阻參數設計

為了消除諧振，需要在風電變流器中加入阻尼，常用的有阻尼電阻和有源阻尼兩種方法，前者計算復雜，后者簡單可靠，在實際損耗允許的條件下，一般采用阻尼電阻方法。阻尼電阻越大，諧振抑制效果越明顯，但較高的電阻值會增加系統有功損耗，工程上的取值公式為：

3 參數計算與建模仿真

利用LCL濾波器參數設計方法，開展仿真研究，建模對象為單機2.5MW的風電變流器。并網電壓3.3kV，直流母線電壓5000V，功率開關器件頻率2.5kHz。

根據濾波器限制條件和反復迭代試取，計算出變流器側電感值Ll=2.6mH，電網側電感器Lg=0.65mH。

根據濾波器參數設計方法，計算出濾波電容Cf=33uF，阻尼電阻Rd=0.9Ω。

在Matlab/Simulink中建立風電變流器仿真模型，并按照上述參數建立LCL濾波器模型，利用FFT進行并網電流諧波分析，結果如圖3所示。從諧波分析圖中可以看出，在開關頻率2500Hz整數倍的5000Hz、7500Hz、10000Hz處，高次諧波都得到了非常強的抑制，總電流諧波畸變率THD為1.09%，遠小于并網要求的5%限定值。

4 結束語

本文針對LCL三階濾波器設計進行了詳細的介紹，包括參數選取約束條件和計算方法。并針對2.5MW風電變流器用LCL濾波器開展了仿真分析研究和計算，所選取的電感器、電容值和電阻值合理，濾波效果良好，為該濾波器設計方法在工程應用中的推廣奠定了良好的理論基礎。

參考文獻

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