基于虛擬電阻法的LCL濾波器特性分析

盧秀和++黃進(jìn)

摘要：LCL濾波器與傳統(tǒng)的L濾波器相比，有著更好的濾波效果，但是，同時(shí)LCL濾波器會(huì)有諧振問題，導(dǎo)致了系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了要抑制其諧振特性，將虛擬電阻法和無源阻尼法這兩種控制策略進(jìn)行了研究分析，還將虛擬電阻法運(yùn)用到了光伏并網(wǎng)逆變器中，最后通過仿真結(jié)果的對(duì)比，表明了虛擬電阻法可以有效地抑制LCL濾波器的諧振峰，降低了輸出電流的諧波，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：LCL濾波器 無源阻尼 有源阻尼 虛擬電阻 諧振

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0069-03

1 引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，大功率并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為了光伏發(fā)電的主流，其中網(wǎng)側(cè)電流的諧波抑制問題也成為了新的研究熱點(diǎn)之一。逆變器的脈寬調(diào)制在濾波的同時(shí)也產(chǎn)生大量的高次諧波，為了保證進(jìn)網(wǎng)電流的質(zhì)量，常采用L濾波器和LCL濾波器[1]來抑制進(jìn)網(wǎng)電流諧波，若用單電感L濾波器，由于變換器的開關(guān)頻率低，要想滿足入網(wǎng)電流的指標(biāo)，需要加入較大的電感，增加了系統(tǒng)的重量、體積、成本，也降低了電流環(huán)的響應(yīng)速度。LCL濾波器可以有效地減小總濾波的電感值，使高頻諧波的衰減能力進(jìn)一步加強(qiáng)，但也會(huì)在某一頻率范圍內(nèi)使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文對(duì)無源阻尼法和虛擬電阻法[2，7-9，11]進(jìn)行對(duì)比分析，得出了虛擬電阻法可以使諧振峰極大地衰減。并且在無源電阻控制策略的研究中發(fā)現(xiàn)，增加阻尼電阻有利于抑制LCL濾波器的諧振，并保持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，阻尼電阻的增加，可能會(huì)影響諧波的濾波性能，也會(huì)增加系統(tǒng)損耗，并降低了系統(tǒng)的效率。通過用虛擬電阻取代實(shí)際阻尼的有源阻尼控制策略來抑制系統(tǒng)的諧振，進(jìn)而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文對(duì)這問題進(jìn)行了理論分析[3-6]。并運(yùn)用Matlab/Simulink仿真方法，驗(yàn)證了虛擬阻尼控制策略的可行性。

2 LCL濾波器的原理分析

以典型的單相濾波電路為基點(diǎn)，首先對(duì)L濾波器和LCL濾波器進(jìn)行工作原理分析，對(duì)于電壓型逆變器[10]，實(shí)際上是逆變器橋臂側(cè)的輸出電壓對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行了控制，其輸入電壓對(duì)輸出電流的傳遞特性為：

在LCL濾波器中，電容支路的增加使電流控制特性從一階變?yōu)槿A系統(tǒng)。當(dāng)=2，=1，=20時(shí)，由公式（2）可以求出，它的頻率特性如圖1所示。

由圖1可以知道，在某一頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的諧振會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于三階系統(tǒng)來說，諧振頻率 （3）

從公式（3）看出，LCL濾波器中的3個(gè)儲(chǔ)能元件參數(shù)對(duì)諧振頻率均有影響。LCL濾波器的這種諧振特性是由于較低的系統(tǒng)阻尼導(dǎo)致的，可通過對(duì)基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器增加系統(tǒng)阻尼來進(jìn)行控制。解決這一問題的方法：無源阻尼（在濾波器的回路中串入電阻從而增加阻尼，對(duì)諧振起到衰減作用）和有源阻尼（不需要實(shí)際的阻尼電阻，通過控制算法來消除諧振）。

3 無源、有源阻尼法的實(shí)現(xiàn)及其特性分析

3.1 無源阻尼法的實(shí)現(xiàn)及其特性分析

圖2為基于無源阻尼法所構(gòu)成的濾波器。根據(jù)電阻與元器件連接方法的不同，通過對(duì)、、、進(jìn)行不同的取值，可以得到網(wǎng)側(cè)電感串聯(lián)電阻、網(wǎng)側(cè)電感并聯(lián)電阻、電容支路串聯(lián)電阻以及電容支路并聯(lián)電阻等四種無源阻尼方式下的增阻尼方法，下面重點(diǎn)以網(wǎng)側(cè)電容串聯(lián)電阻（=、=、≠0、=0）為例，當(dāng)電容支路串聯(lián)電阻時(shí)，LCL濾波器橋臂側(cè)電壓到網(wǎng)側(cè)的傳遞特性為：

= （4）

其頻譜特性如圖3所示。

由圖3分析可得，隨著阻尼電阻的增大，諧振峰的衰減程度相應(yīng)增加，并且當(dāng)阻尼電阻與電容容抗相比較小時(shí)，就能取得明顯的阻尼效果。

3.2 虛擬電阻法的實(shí)現(xiàn)及其特性分析

有源阻尼法分為虛擬電阻法、陷波器校正法和雙帶通濾波器法等。

虛擬電阻法：對(duì)無源阻尼控制圖進(jìn)行等效變換，再通過運(yùn)用控制算法來取代實(shí)際的無源阻尼電阻。電容支路串聯(lián)電阻的無源阻尼結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中為電流環(huán)控制器的傳遞函數(shù)，根據(jù)自控原理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等效變換規(guī)則，可以看出電容串聯(lián)電阻的無源阻尼控制結(jié)構(gòu)其實(shí)就是在原有無阻尼結(jié)構(gòu)的上多加了一個(gè)阻尼電流分量，該阻尼電流分量也可以在電流控制器的輸入端通過算法來實(shí)現(xiàn)，達(dá)到有源阻尼的控制目的，如圖5所示。

4 虛擬電阻法在并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用

基于上述的變換控制思想，可以設(shè)計(jì)出基于虛擬電阻法（電容串聯(lián)電阻）的LCL并網(wǎng)逆變器有源阻尼控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。在系統(tǒng)實(shí)施控制上，通過檢測(cè)LCL濾波器電容支路的電流，然后與相乘，再疊加到電壓外環(huán)的輸出電流指令上，最后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)其有源阻尼控制。對(duì)虛擬電阻法的頻率特性進(jìn)行分析，將圖6所示的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化如圖7所示。

根據(jù)圖6和圖7以及公式（4）（5）可以畫出控制系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖，如圖8所示，從上圖中可看出，無阻尼控制方案在諧振處產(chǎn)生一個(gè)諧振峰，當(dāng)采用無源阻尼電阻控制時(shí)，原諧振頻率處的諧振峰得到了極大地衰減；而采用虛擬電阻法時(shí)，虛擬電阻法通過算法產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)諧振峰，從而抵消和抑制了正諧振峰，增加了系統(tǒng)的阻尼，最后使系統(tǒng)的諧振頻率在0dB之下，使諧振峰得到了極大地衰減。在電容支路串聯(lián)電阻的阻尼控制并沒有改變其低頻高頻特性，所以系統(tǒng)的控制和濾波特性基本沒有受到影響。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用SIMULINK仿真工具，對(duì)1MW的并網(wǎng)逆變器分別基于無源阻尼和虛擬阻尼兩種不同控制情況下，進(jìn)行了系統(tǒng)性能的對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9～圖12所示。圖9和圖10所示的三相電壓電流波形圖和電流頻譜圖是基于無源阻尼法所得到，而圖11和圖12是采用虛擬電阻法所得到的。

通過對(duì)圖9與圖11以及圖10和圖12的比較可以看出，虛擬電阻法在減少系統(tǒng)損耗的同時(shí)也可以獲得較好的輸出波形，并且輸出電流的頻譜特性好，有利于增加系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

本文應(yīng)用頻譜特性方法分析了LCL濾波器系統(tǒng)因存在諧振峰而易使系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，提出了一種虛擬電阻有源控制策略，并通過電流閉環(huán)和控制算法的方式，產(chǎn)生一個(gè)用于抵消和抑制該峰值的負(fù)向諧振峰，從而改善了輸出電流的頻譜特性，并提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，通過Matlab和Simulink對(duì)比實(shí)驗(yàn)，較好地驗(yàn)證了該方法的正確性，為解決并網(wǎng)逆變器的濾波問題提供了一種可借鑒的方法。

參考文獻(xiàn)

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6 結(jié)語

本文應(yīng)用頻譜特性方法分析了LCL濾波器系統(tǒng)因存在諧振峰而易使系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，提出了一種虛擬電阻有源控制策略，并通過電流閉環(huán)和控制算法的方式，產(chǎn)生一個(gè)用于抵消和抑制該峰值的負(fù)向諧振峰，從而改善了輸出電流的頻譜特性，并提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，通過Matlab和Simulink對(duì)比實(shí)驗(yàn)，較好地驗(yàn)證了該方法的正確性，為解決并網(wǎng)逆變器的濾波問題提供了一種可借鑒的方法。

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