三相三線制有源電力濾波器LCL參數(shù)研究

時(shí)間：2020-01-05作者：成都安科瑞電氣有限公司瀏覽：2249

[align=center]趙皋 季曉春 劉建春 李偉江
（安科瑞電氣股份有限公司 上海市 201801）[/align] [p]摘要：通過分析LCL的濾波數(shù)學(xué)模型建立三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器仿真模型。對(duì)比有源電力濾波器不帶LCL濾波和帶LCL濾波對(duì)系統(tǒng)濾波效果的影響，仿真結(jié)果表明：三相三線制有源電力濾波器帶LCL濾波可以濾除有源電力濾波器中變流器所產(chǎn)生的高頻開關(guān)次諧波。
關(guān)鍵詞：三相三線制；APF；仿真模型；高頻；諧波；數(shù)學(xué)模型；LCL濾波；諧振點(diǎn)
[b]1  引言
[/b]        三相三線制有源電力濾波器（APF）可以對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，但是有源電力濾波器本身變流器采用的是PWM調(diào)制技術(shù)，采用PWM調(diào)制技術(shù)會(huì)產(chǎn)生高頻的開關(guān)次諧波，這些高次諧波會(huì)對(duì)一些設(shè)備產(chǎn)生很大的電磁干擾，影響設(shè)備的正常運(yùn)行[1-3]。有源電力濾波器對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，需要及時(shí)跟蹤指令電流。當(dāng)輸出電抗器感量選的很小時(shí)，雖然保證了電流的跟蹤效果卻造成電流的開關(guān)次紋波很大；APF的輸出電抗器的感量也不能夠太大，否則橋臂輸出電流會(huì)滯后指令電流，造成補(bǔ)償效果變差。由此可以看出在選取小感量電抗器保證電流跟蹤效果的同時(shí)需要在并網(wǎng)點(diǎn)加上LCL濾波環(huán)節(jié)來濾除開關(guān)次高頻紋波[4]。
        在有源濾波器并網(wǎng)時(shí)加上LCL濾波環(huán)節(jié)后參數(shù)選取會(huì)影響濾波效果，甚至造成系統(tǒng)諧振，因此需要先分析了解帶LCL的APF數(shù)學(xué)模型，找到諧振點(diǎn)以及合適的參數(shù)，從而保證濾波的效果好。
[b]2  三相三線制APF-LCL數(shù)學(xué)模型
[/b]        三相三線制APF采用LCL并網(wǎng)接法結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[5-6]。[/p]

        圖1中的ea、eb、ec為電網(wǎng)側(cè)相電壓，ua、ub、uc為變流橋交流側(cè)電壓，L1為APF輸出電抗感量，L2為L(zhǎng)CL電網(wǎng)側(cè)電抗感量，C為L(zhǎng)CL電容值，R為電阻值。將圖1的三相結(jié)構(gòu)模型等效成單相的結(jié)構(gòu)模型為圖2所示，阻尼電阻R的作用是抑制諧振。根據(jù)圖2得到LCL的數(shù)學(xué)模型為方程組（1）：
        方程組（1）經(jīng)拉普拉斯變換后的到結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

        可以得到傳遞函數(shù)G1(S)、G2(S)、H(S)。
[p]3  APF-LCL數(shù)學(xué)模型的參數(shù)分析
        根據(jù)參考文獻(xiàn)[7-8]中LCL參數(shù)的選取方法，并考慮到LCL電容值參數(shù)在APF不可控整流預(yù)充電過程中有較大的影響（例如APF啟動(dòng)時(shí)限流電阻為51Ω，40uF電容時(shí)整流后直流側(cè)電壓穩(wěn)定在473V，整流時(shí)直流側(cè)電容充電過程如圖4所示），在APF仿真模型中LCL參數(shù)分別取值為表1，分析改變電氣參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。[/p]
[align=center]表1 LCL參數(shù)取值[/align]
[p]        分組對(duì)比分析各個(gè)參數(shù)的影響：
（1）L1=0.35mH，L2=0.08mH，R=1Ω，改變C的值為40uF、50uF、60uF時(shí)對(duì)比傳遞函數(shù)H(S)的伯德圖（如圖5所示）。[/p]
[p]        由圖5可以看出幅頻特性的C增大，諧振頻率fres減小，向低頻域移動(dòng)。在低頻段沒有什么衰減作用，在高頻段對(duì)高頻部分（**諧振頻率的部分）以25dB/每十倍頻程進(jìn)行衰減，衰減有所增加但是增加的量很少；由相頻特性可以看出相位角偏移起始頻率也向低頻域移動(dòng)。
（2）L1=0.35mH，C=50uF，R=1Ω，改變L2的值為0.08mH、0.1mH時(shí)對(duì)比傳遞函數(shù)的伯德圖（如圖6所示）。[/p]
[p]        由圖6幅頻特性可以看出L2的增大，諧振頻率fres減小，向低頻域移動(dòng)，在**諧振頻率的低頻域增益為0dB，沒有衰減作        用，在**諧振頻率的高頻域開始衰減對(duì)高頻的衰減作用很明顯，可以根據(jù)諧振點(diǎn)看出i2在偏離i1的程度，即衰減程度。由相頻特性可以看出相位角偏移起始頻率也向低頻域移動(dòng)。
（3）L1=0.35mH，C=50uF，L2=0.08mH ，改變R的值為0Ω、1Ω、2Ω時(shí)對(duì)比傳遞函數(shù)的伯德圖（如圖7所示）。[/p]
[p]        由圖7幅頻特性可以看出阻尼R的增大，抑制諧振的能力越強(qiáng)，阻尼R值大了之后會(huì)導(dǎo)致在高頻域內(nèi)雖然較大程度上的抑制了諧振峰值，但是高頻域的濾波性能變差；阻尼R值過小會(huì)導(dǎo)致抑制諧振能力不夠。由相頻特性可以看出增大阻尼R值會(huì)導(dǎo)致相位角偏移的速度在頻率升高時(shí)較為緩慢。
4  APF-LCL仿真結(jié)果
        建立三相三線APF仿真模型，諧波負(fù)載電流如圖8所示，為典型的非線性阻性負(fù)載諧波，THD含量為16.6%，主要包含5次、7次、11次、13次諧波。[/p]
        未加LCL并網(wǎng)濾波功能，得到的補(bǔ)償后的THD含量為1.59%如圖9所示。

[p]        可以看出10KHZ為200次諧波含量是比較高的，采用LCL后濾除效果如圖10所示，補(bǔ)償后的THD含量為0.95%，將200次（10KHZ）、400次（20KHZ）高頻開關(guān)次諧波給衰減了。[/p]
[p][b]5  結(jié)論
[/b]本文分析了在三相三線制APF中加上LCL并網(wǎng)濾波環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型以及諧振頻率，通過分析APF-LCL數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)伯德圖，得出調(diào)整各個(gè)電氣參數(shù)對(duì)APF濾波效果有何種影響，在APF-LCL仿真模型中對(duì)比了有無LCL環(huán)節(jié)對(duì)濾波效果的影響。由此得出結(jié)論：在避免諧振的基礎(chǔ)上加上LCL環(huán)節(jié)對(duì)濾除APF系統(tǒng)中高次開關(guān)頻率的諧波有良好的效果。[/p] 
文章來源：《建筑電氣》2014年2期-增刊

[p]參考文獻(xiàn)
[1] S.Pettersson,M.Salo,and H.Tuusa, “Applying an LCL-filter to a four-wire active power filter,”in 37th  IEEE Power Electronics Specialists Conference, pp. 1–7.
[2] 仇志凌,楊恩星，孔潔，陳國(guó)柱.基于LCL濾波器的并聯(lián)有源電力濾波器電流閉環(huán)控制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009,29(18)15-20.
[3] 趙仁德,趙強(qiáng)，李芳，王平.LCL濾波的并網(wǎng)變換器中阻尼電阻影響分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2009,21(6)112-116.
[4] 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍,王躍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償.北京:機(jī)械工業(yè)出版社[M ]. 2013
[5] 張憲平,林資旭，李亞西,許洪華.LCL濾波的PWM整流器新型控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007,22(2) 74-77.
[6] 張東江,仇志凌,李玉玲,陳國(guó)柱,何湘寧.基于LCL濾波器的高穩(wěn)態(tài)性能并聯(lián)有源電力濾波器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011,26(6)137-143.
[7] 張國(guó)榮,陳鵬,李宗鈞.并聯(lián)有源電力濾波器LCL參數(shù)的選擇方法[J].電測(cè)與儀表，2011,48(542)44-49.
[8] 張崇巍，張興.PWM整流及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.[/p] 
作者簡(jiǎn)介：
趙皋（1987-），安徽寧國(guó)人，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹爸C波治理方向。
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姓名：趙皋
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