LCL滤波器在并联型有源电力滤波器中的设计.pdf

2 0 1 1 年 9 月 2 5日第 2 8 卷第 5 期 通 缱 电 凉 】 | ： Te l e c o m Po we r Te c hn ol ogy Se p 25，2 01 1，Vo 1 2 8 No 5 文章 编号 ： 1 0 0 9 3 6 6 4 ( 2 ( 1 l 1 ) ( ) 5 0 0 0 1 0 4 L C L滤波器在 并联 型有源 电力滤 波器 中的设计 麓 勰 舞舞蔓 彭光强 ， 刘振 ， 彭欢 ， 郭金柱 ( 武汉大学 电气工程学 院 ， 湖北 武汉 4 3 ( ) 0 7 2 ) 摘 要 ： 在 满足 相同的高频滤波效果的情 况下， I C I 滤波器所需的总 电感值 比 L滤波器小， 因此更适 于在 大功 率、 开 关 频 率较低 的 电流源控制型并 网设备 上应 用。然而针对该类型滤 波器的参数设 计不仅 关 系到开 关频 率处纹 波抑制效果 ， 同 时也会 影响 电流控制 器的性能 。随着高频谐 波抑 制效果 明显 的 L C L滤 波器在并联 型有 源滤 波器 中应 用 ， 基 于谐 波电流 跟踪控 制器的 L C L参数 设计需要 进一步研 究， 因此文 中基 于并联型有 源电力滤波器给 出一套 L C L滤波器设 计方法， 并通 过 仿真验证 该 L C I 滤波器的有源 电力 滤波 器的有效性。 关键词 ：有源滤波 ； L C L滤波器 ； 谐 波抑 制 中图分类号 ： TN 7 1 3 文献标识码 ：A De s i gn a nd Re s e a r c h on Sh u nt Ac t i v e Po we r Fi l t e r wi t h I CI Fi l t e r P ENG Gu a n g q i a n g。 LI U Zh e n， PENG Hu a n， GUO J i n - z h u ( Co l l e g e o f El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，W u h a n Un i v e r s i t y ， W u h a n 4 3 0 0 7 2， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Be c a u s e j CL f i l t e r n e e d s s ma l l e r i n d u c t a n c e v a l u e c o mp a r i n g t o L t y p e f i l t e r a t t h e s a me p e r f o r ma n c e i n h a r mo n i c s u p p r e s s i o n，i t i s g r a d u a l l y u s e d i n h i g h p o we r a n d l o w- f r e q u e n c y c u r r e n t s o u r c e c o n t r o l l e d g r i d c o n n e c t e d c o n v e r t e r s Ho we v e r ，d e s i g n wo r k o f L CL f i l t e r p a r a me t e r n o t o n l y r e l a t e s t O s wi t c h f r e q u e n c y r i p p l e a t t e n u a t i o n，b u t a l s o i m p a c t s o n p e r f o r ma n c e o f c u r r e n t c o n t r o l l e r As t h e LCL f i l t e r wi t h s i g n i f i c a n t h i g h f r e q u e n c y h a r mo n i c s u p p r e s s i o n e f f e c t u s e d i n s h u n t a c t i v e p o we r f i l t e r ，f u r t h e r r e s e a r c h b a s e d o n L CI f i l t e r i n s h u n t a c t i v e p o we r f i l t e r i S n e e d e d Th e p a r a me t e r de s i gn me t ho d of I CL f i l t e r i s gi ve n i n t he pa p er ，a nd t hi s de s i gn me t h od i s ve r i f i e d by s i mul a t i on b a s e d on M ATAI AB Ke y wo r d s ：a c t i v e p o we r f i l t e r ； L CL f i l t e r ； h a r mo n i c s u p p r e s s i o n 0 引 言 I 滤波器在有源电力滤波器中有较广泛应用 。对 于 I 滤波器 ， 需要 比较高的开关频率才能对开关次谐 波有效地衰减同时获得 良好的动态性能 。为了增加对 开关次谐波 的衰减作用 ， 就必须增加电感值 ， 这样就势 必造成系统 的成本升高并使得有源滤波器的动态性能 变差 ， 降低补偿电流对谐波 电流的跟踪精度 。为 了滤 除开关次谐波 ， 可以用 I C或 L C R滤波器代替 I 滤波 器u 。 。但是 ， 由于电网阻抗 的不确定性 ， 这样 就极有 可能对补偿 电流 中的某次补偿 电流或开关次谐波 电流 发生谐振放大 ， 造成系统的不稳定 ， 难以获得理想 的滤 波效果。使用 L C L滤波器可 以克服 由于电网阻抗 的 不确定而影响滤波效果 的缺点 ， 能够在 比较低 的开关 频率下取得 比 I 和 L C R滤波器更优异 的高频滤波性 能， 减少开关次谐波对电网的污染 ， 降低 电磁干扰对周 嗣环境的影响 ， 有利于提 高对高频谐波敏感的电气设 备 的使 用安 全性 。 由于 I C L滤波 器是 谐振 电路 ， 对 系统 的稳 定 性影 收稿 日期 ： 2 0 l 卜【 ) 4 1 8 作者简介 ： 彭光 强( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 湖北荆 州人 ， 主要研研 究 方向 为 新能源和有源滤波 。 响很大 ， 通常需要加入阻尼作用【 。对于 A P F而言 ， 一 方面希望起补偿作用的低次谐波分量可以不受影响 地通过 L C L滤波器， 同时又希望对高频谐波分量进行 抑制 ， 即开关 次谐 波能 够起 到衰减 作用 。前者 要求 L C L滤波器的谐振频率应尽量高， 后者却又要求谐振 频率足够低 。对 于其 他场 合应用 的 L C I 滤波 器如 P WM 整流器 ， 一般要求谐振频率在十倍的基波频率 和二分之一 的开关频率之 间， 但是在有源滤波器的设 计 中， 这个设计规则显然需要修改 ， 谐振频率应尽量靠 近开关频率 的一半 ， 同时又要高 于需补偿 的谐波电流 的最大频率 ， 一般为 2 5倍基波频率 。 有源电力滤波器补偿电流的变化率主要取决于交 流侧滤波 电感 的大小 ， 而 AP F要获得理想 的补偿特 性 ， 补偿 电流的变化率就不能低 于网侧谐波电流的变 化率 。同时 ， 针对 AP F不同的控制算法也有不同的适 用 范 围 ， 不 能把用 于 L滤 波 器 的控 制 方法 直 接 应用 于 L C L滤 波 器 。为 此 ， 需 要 对 AP F 的主 电路 设 计 和 控 制做相关的分析和研究工作。 1 并联 型有源 电力滤波 的电路分析 1 1 主 电路拓 扑 图 1 是基于 L C L滤波的并联型 AP F的系统结构 图， 为了便于理论分析 ， 用二极管整 流负载代替谐波 源 。图中 U 、 U g c 是 网侧相 电压 ， L L g b 、L 为 电 万方数据 2 0 1 1 年 9月 2 5日第 2 8 卷第 5 期 违 馋 电 麓 ：梭 】I ： Te l e c o m Po we r Te c h nol o gy S e p25，2 01i ，Vo1 28 No 5 网内电感 ， 、 b 、L 2 为 L C L滤 波 器 的 网 侧 电感 ， L 1 L b 、 L 1 。 为 AP F侧滤波电感 ， C 、 C b 、 C 为开关次谐 波滤波电容 。为了抑制谐振 ， 通常要在电容支路中串 联 电阻 R 、 R b 和 R 起 阻尼作用 ， L L b 和 L 。 为二 极管 整流器输入电感 ， 由 R i 和 L 组成阻感负载。 I 图 1 L C L滤波的并联型 A P F系统结构图 1 2 网侧 及 负载输入 侧 感抗 的影响 对于二极管整流负载 ， 其交流侧滤波电感及 电网 内电感值决定了负载电流的变化率 。在三相对称电路 中， 把非线性负载看做一个谐波电流源 ， 在不考虑高频 开关次谐波电流的情况下， 可以忽略电容滤波支路， 得 到单相等效电路如图 2所示。 图 2 系统单相等效 电路 L f =L 1 + ) 图 3为二极管整流负载的输入 电压和电流波形， 可以看出， 在换相过程中整流器输入 电流的变化率最 大 。对 AP F而言， 要想精确地对谐波电流进行跟踪补 偿 ， 就要求直流侧有 比较高的直流 电压 ， 且滤波 电感 L f 要尽量小 。图 4为整流器直流侧 电流在 C相和 A 相间换相时的电路 图。在 c o t 时刻 ， 开始从 C相变 换到 A相 ， 在这一瞬态二极管 D1 和 I ) 5 都处于导通状 态 ， 在 叫 + 时 ， 上 升 到 与 ， 大 小相 等 ， 而 j r 则 下 降为 0 ， 换相过程结束。在这一过程中， 输入侧 电流的 变化 可以用 式 ( 1 ) 表示 。 Ub Ud L2 + L ( 1 3 ) 由式 ( 8 ) 可以看出电感 L 的作用就是人为地降低 谐振频率 ， 使其介于需补偿 的谐 波电流最高频率和开 关频率之间， 降低发生谐振的可能性 ， 提高系统的补偿 特性和稳定性 。针对 电网内电抗 的不确定性 由式( 8 ) 可得 ： n 4- 1 ； ( 1 4 ) ( L 2+ L一) 儿 2 C 因此 ， 要获得较好的补偿特性必需满足 L 7 醯， 式 中， 6 0 为需补偿 的谐 波电流最大角频率 ； 为开关 角频率 。 为 了进行仿真实验 ， 必须对系统参数作一定 的假 设 ， 电网 内 电 阻 假 设 为 0 1 Q、 L =0 0 2 5 mH， 电 源线电压为 3 8 0 V 5 0 Hz ， 非线性负载为三相不控整 流桥带 阻感 负载 ， 进线 电感 I =0 0 4 mH、 L i =0 1 H、 R。 =0 4 8 Q， 直流侧母线电压 Ud ：1 0 0 ( ) V、 C a = 1 0 0 0 0 F ， 开关频 率 _厂 k=9 k Hz 。根 据 式 ( 6 ) 和式 ( 1 3 ) 可 取 L1 +L 2 =0 2 mH；L 1 =1 2 ( L 2 +L ) 可求得 L 1 =0 1 2 mH、 L 2 =0 0 8 mH 假设只补偿前 2 5次谐波 ， 由式 ( 8 ) 可得 5 7 3 F C 2 9 7 F 。假设纹 波衰减 比例 为 6， =6 ， 将已知参数值代人式 ( 1 0 ) 可求得 C：6 2“ F、R=1 8 Q。因此， 主电路 的参数设定值如表 1 和表 2所示 ： 表 1 电网和负载参数 电网 负载 L R L L R。 2 2 0 v 5 O Hz 0 0 2 mH 0 ( ) 1 n 0 0 4mH 1 0mH 0 4 8Q 表 2 有源滤波器参数 L C L滤波器 直流侧 L L2 C R U 0 1 2mH 0 0 8mH 6 2 u F 1 8n 1 ( ) 0 0V 1 0 0 0 0 代入表 中的参数值 ， 可以得到式( 7 ) 中 ( ) 的幅 万方数据 通 往 电 潦 】I ： 2 0 1 1 年9 月2 5日 第2 8 卷第5 期T e l e c o m P o w e r T e c h n o l o g y S e p ! ! ! ： 三 频特性如图 6所示 ， 从幅频特性可以看出， 谐振频率为 2 7 8 2 Hz ， 对于开关频率 为 9 0 0 0 Hz的开关纹波 ， 抑 制效果很明显 ， 对于需补偿的前 2 5次谐波影响不是很 大 。 图 6 W( s ) 的幅频 特性 3 系统仿真 为了验证理论分析的正确性和有效性 ， 并 为工程 实际应用提供 指导 ， 使用 电力系统仿真软件 P S C A D 进行了仿真实验。主电路模型如图 1 所示 ， 从 图 7 、 图 8和图 9可以看出， 采用 L C I 滤波器的并联型有源 电 力滤波器具有 良好的谐 波抑制效果 ， 同时开关滤波次 附件的纹波也被 L C L滤波器滤除， 使系统电流不含高 频 纹波 分量 。 注 ： j 补偿之前 的网侧 A相 电流 ； 补偿之后的 网侧 A相电流 图 7 补偿前后 的系统 A相电流波形 图 8三相 补偿 电流 波形 4 结论 本文 针对基 于 L C L滤 波 器 的 三相 三 线 并 联 型 有 4 源电力滤波器采用有源阻尼法与复合式重复控制结合 的控制策略， 并给出 了基 于稳定性、 误差收敛速度、 稳 态误差 的性能分析的复合 式重复控制器参数设计方 注： T h d i - -* b 偿之前的网侧 A相 电流畸变率 Th d U 一补偿后 网侧 A相电压 畸变率 Th d j 一补偿之后的网侧 A相 电流畸变率 图 9 补偿前后 A相系统 电流 畸变率及补偿之后的 电压畸变率 案 ， 同时得出有源阻尼的电容电流反馈控制参数 会 影响复合式重复控 制器 的比例反馈参数 K 之间的取 值范围。仿真分析了复合式重复控制器各参数对系统 动态和稳态性能的影响， 最后通过三相三线并联型有 源电力滤波实验平台， 并验证 了本文提 出控制参数设 计方案的有效性和实用性。 参考文献 ： 1 T e o d o r e s c u R， B l a a e r g F， B o r u p U， e t 口 f A n e w c o n t r o l s t r u c t u r e f o r g r i d c o n n e c t e d L CL P V i n v e r t e r s wi t h z e r o s t e a d y - s t a t e e r r o r a n d s e l e c t i v e h a r mo n i c c o m p e n s a t i o n C AP E C 0 4 Ni n e t e e n t h An n u a l I E E E， 2 0 0 4 ，1 ： 58 0 5 81 2 Tw i n i n g E，Ho l me s D GGr i d c u r r e n t r e g u l a t i o n o f a t h r e e - p h a s e v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r wi t h a n L CL i n p u t f i l t e r J I E E E Tr a n s O n P o we r E l e c t r o n i c s ，2 0 0 3 ，1 8 ( 5) ：8 8 8 8 9 5 3 Ma g u e e d F A， S v e n s s o n J C o n t r o l o f V S C c o n n e c t e d t o t h e g r i d t h r o u g h I C1 - f i h e r t O a c h i e v e b a l a n c e d c u r r e n t s r C Fo u r t i e t h I AS An n u a l Me e t i n g Co n f e -r e n c e Re c o r d，2 0 0 5 ，1 ：5 7 2 5 7 8 4 S h e n G u o q i a o ， Xu D e h o n g ， X i D a Ni ， e t a 1 A n i mp r o v e d c o n t r o l s t r a t e g y f o r