適用于并網(wǎng)逆變器的新型LCL濾波器

金亮亮，周荔丹，姚 鋼，張 嵩，馮文軍，毛維儉

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適用于并網(wǎng)逆變器的新型LCL濾波器

金亮亮1，周荔丹1，姚 鋼1，張 嵩2，馮文軍2，毛維儉3

(1.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室(上海交通大學(xué))，上海 200240；2.國網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海 200080；3.上海閘電燃?xì)廨啓C發(fā)電有限公司，上海 200122)

針對LCL濾波器應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器過程中，存在諧振問題和濾波電容在5、7次諧波的作用下過流損毀的現(xiàn)象，首次提出了一種新型的LCL濾波器。在傳統(tǒng)濾波支路中引入一個并聯(lián)諧振和一個串聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振實現(xiàn)濾波電容的保護，串聯(lián)諧振實現(xiàn)開關(guān)頻率諧波的濾除。首先推導(dǎo)了該方案下系統(tǒng)電壓和濾波支路電流的傳遞函數(shù)，接著分析了濾波電容參數(shù)變化對濾波支路諧振點的影響，合理選取了本方案各元件的參數(shù)。最后對兩種濾波結(jié)構(gòu)進行仿真和實驗，證明了所提方案在具有相似濾波效果的條件下，保護了濾波電容，降低了無源阻尼的損耗。

LCL濾波器；無源阻尼；并聯(lián)諧振；串聯(lián)諧振；STATCOM

0 引言

基于LCL的并網(wǎng)逆變器(LCL grid connected inverter)在實際應(yīng)用中存在兩個問題：1)?并網(wǎng)電流諧振[1-2]；2)?濾波電容過流損毀。

前者是由于LCL為一個三階系統(tǒng)，自身存在一個無阻尼諧振點，需采用阻尼措施維持系統(tǒng)穩(wěn)定。阻尼措施主要分為有源阻尼和無源阻尼兩大類[3-5]：有源阻尼通過采樣濾波電容電壓或電流信號作為內(nèi)環(huán)反饋來實現(xiàn)LCL諧振點的抑制[3-4]，雖然不存在損耗的問題，但是增加了控制的復(fù)雜度和額外的傳感器；無源阻尼通過在濾波電容支路串聯(lián)或并聯(lián)阻尼電阻來實現(xiàn)諧振電流的抑制[5]，控制策略簡單可靠，得到了更廣泛的應(yīng)用。

后者則是由于實際運行中，電網(wǎng)背景諧波(主要是5、7次諧波)的存在，使得流經(jīng)濾波電容支路的5、7次諧波電流大量增長，最終導(dǎo)致濾波電容過流損毀，采取相應(yīng)措施保護濾波電容很有必要。而目前國內(nèi)外文獻的研究內(nèi)容主要針對于減弱電網(wǎng)背景諧波對并網(wǎng)電流質(zhì)量的影響[6-7]，對濾波電容保護的研究很少。

因此，本文為了減少流經(jīng)濾波電容的5、7次諧波，提出了一種改進的LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)湓趥鹘y(tǒng)LCL濾波支路上引入了一個并聯(lián)諧振和一個串聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振頻率設(shè)置為250?Hz，使得濾波支路對5、7次諧波都有比較高的阻抗，衰減流經(jīng)濾波支路的5、7次諧波電流，進而保護濾波電容；串聯(lián)諧振，類似于LLCL[8-9]結(jié)構(gòu)的原理，諧振頻率設(shè)置為開關(guān)頻率，使得開關(guān)頻率處的諧波流經(jīng)濾波支路而不注入電網(wǎng)。最后本文以基于LCL的靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，LCL- STATCOM)為例進行仿真和實驗研究，驗證了本文提出拓?fù)涞挠行浴?/p>

1 新型LCL-STATCOM模型和控制

1.1 新型LCL-STATCOM方案的提出

圖1給出了經(jīng)新型LCL濾波的STACOM拓?fù)鋱D。其中g(shù)為系統(tǒng)側(cè)電壓，1為機側(cè)電流，2為并網(wǎng)補償電流，cf為流經(jīng)濾波電容支路的電流，dc為直流側(cè)電壓，t為STATCOM逆變器側(cè)電壓，dc為直流側(cè)電容，1、2為濾波電感，f為阻尼電阻，f為濾波電容，LOAD1和LOAD2分別為對稱負(fù)載和非線性負(fù)載。相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的LCL濾波器，新型LCL增加了諧振模塊1和3，其中4和4構(gòu)成諧振模塊1，3和f構(gòu)成諧振模塊2。

圖1新型LCL型STATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖1得到傳統(tǒng)LCL濾波器和新型LCL濾波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其中t()、c()和g()分別為逆變器輸出側(cè)電壓t、濾波支路電壓c和電網(wǎng)電壓g在復(fù)頻域的拉普拉斯變換，1()、2()和c()分別為逆變器輸出側(cè)電流1、無功補償電流2和濾波支路電流c在復(fù)頻域上的拉普拉斯變換。

圖2中，除了濾波效果以外，本文主要研究電網(wǎng)背景諧波對濾波支路電流的影響，給出濾波支路電流c相對于網(wǎng)側(cè)電壓g的傳遞函數(shù)，如式(1)和式(2)，給出并網(wǎng)電流2相對于逆變器側(cè)電壓t的傳遞函數(shù)，如式(3)和式(4)。

圖2 LCL濾波器結(jié)構(gòu)框圖

式(2)中：

式(4)中，系數(shù)0~5與式(2)相同。

提出本文的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)目的在于實際應(yīng)用中，IGBT有開關(guān)死區(qū)、電網(wǎng)含有背景諧波、負(fù)載存在非線性等情況，使得流經(jīng)濾波支路的諧波(主要為5、7次諧波)大量增加，而傳統(tǒng)的LCL結(jié)構(gòu)對流經(jīng)濾波支路的5、7次諧波電流基本沒有衰減，易導(dǎo)致濾波電容過流損毀。在新型LCL中，將諧振模塊1調(diào)諧于250?Hz以有效地抑制流經(jīng)濾波支路的5次諧波電流，并衰減7次諧波電流；同時諧振模塊2和諧振模塊1一起配合形成串聯(lián)諧振，調(diào)諧于開關(guān)頻率，為開關(guān)頻率處的諧波提供一個低阻通道，減少開關(guān)頻率諧波注入電網(wǎng)[7-8]。

1.2 新型LCL結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

按照文獻[10-11]選取LCL參數(shù)，滿足系統(tǒng)對紋波和諧振頻率的要求，取1=800?μH，2=100?μH。LCL中濾波電容f值的選取，除了要滿足電容無功容量小于STATCOM額定補償容量的5%[10-11]以外，還需要和諧振模塊1配合，因為諧振模塊1除了目標(biāo)諧振點1=250?Hz以外，對應(yīng)的還會引入一個低阻抗的串聯(lián)諧振點2。這個串聯(lián)諧振點會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定以及諧振模塊1對5、7次諧波的抑制作用。

進一步進行支路諧振分析，由圖2(b)可知濾波支路阻抗的傳遞函數(shù)為

為了更好地分析參數(shù)變化對傳遞函數(shù)伯德圖的影響，設(shè)阻尼電阻為0。又因為濾波支路中諧振模塊1設(shè)定的諧振頻率1遠(yuǎn)小于LCL固有的諧振頻率和開關(guān)頻率(10?kHz)，所以進行濾波支路諧振點分析時可以忽略電感1、2、3的作用。此時濾波支路的兩個諧振頻率如式(6)和式(7)所示，由式(8)可以得到目標(biāo)諧振頻率1和低阻抗串聯(lián)諧振頻率2的比例關(guān)系。

經(jīng)過以上分析，忽略電感1、2、3的作用，分別取不同的f和4值，由式(5)得到濾波支路的伯德圖，如圖3所示。

圖3 化簡后濾波支路伯德圖

從圖3可以看出，保持f不變，隨著4的增大，諧振點2向250?Hz移動，但是如果4取的太小，導(dǎo)致4增大，成本上升。保持4不變，隨著f的增大諧振點2會遠(yuǎn)離250?Hz，但是文獻[10-11]說明，f無功容量不能超過額定容量的5%。而且諧振頻率越低，則穩(wěn)定系統(tǒng)所需的無源阻尼電阻f也會增大，損耗也會明顯增加。如果f取的太小，4取的較大，會導(dǎo)致兩個諧振頻率1和2非常的接近，使得相應(yīng)諧波得到放大，得不到抑制5次諧波的效果。在滿足電容無功容量和系統(tǒng)諧振頻率的要求下，本文折衷取電容f=50?μF，4=120?μF。

為了給開關(guān)頻率處的諧波提供一個低阻通道，諧振模塊1和諧振模塊2配合形成串聯(lián)諧振，調(diào)諧于開關(guān)頻率s(本文取10?kHz)，按照以上得到的各參數(shù)值，可以計算出3取7.32?μH。

采用濾波支路串聯(lián)電阻的方式，可以簡單有效地解決LCL濾波器的諧振問題，LCL的諧振頻率res如式(9)所示，為了減少無源阻尼損耗，按照傳統(tǒng)的無源阻尼方式整定阻尼電阻如式(10)。

最終得到f=0.45?Ω，最終各參數(shù)的選擇如表1所示。

按照表1的參數(shù)，由式(1)~式(4)得到兩種方案的濾波支路電流相對于網(wǎng)側(cè)電壓的伯德圖和網(wǎng)側(cè)電流相對于逆變器側(cè)電壓的伯德圖，如圖4所示。圖4(a)中，N1和N3為不帶阻尼電阻時兩種方案的伯德圖，N2和N4為串聯(lián)電阻以后兩種方案的伯德圖。圖4(b)中，A1和A2分別為帶阻尼以后新型LCL和傳統(tǒng)LCL的濾波效果的伯德圖。

表1 LCL各元件參數(shù)

圖4 兩種方案的伯德圖

由N1和N2可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)串聯(lián)電阻的方式可以有效地抑制系統(tǒng)的諧振點(2.39 kHz)。由N3可以看出，新型的LCL由于拓?fù)浔容^復(fù)雜諧振點有3個，LCL固有的諧振點有所抬高(2.73?kHz)，在同樣大小的阻尼電阻作用下，具有更好的諧振抑制效果；在250?Hz附近有兩個諧振點，對5次諧波有一個明顯的反向峰值，很好地抑制了5次諧波流經(jīng)濾波支路。由N3和N4可以看出，按照式(10)整定阻尼電阻以后，新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振現(xiàn)象得到了明顯抑制，值得注意的是，串聯(lián)電阻以后250?Hz處反向的諧振點依然存在，所以新拓?fù)湟廊荒芤种屏鹘?jīng)濾波支路的5次諧波電流。

由N2和N4可以看出，新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都很好地解決了諧振問題，而且由N4可以看出新型結(jié)構(gòu)能抑制流經(jīng)濾波支路的5次諧波電流，并衰減7次諧波電流，保護了濾波電容不受電網(wǎng)背景諧波的影響，由A1和A2可以看出，兩種方案在低頻段的濾波特性基本完全一致，所以新方案不會影響傳統(tǒng)的控制策略，雖然A1在高頻段的衰減效果不如傳統(tǒng)方案A2，但是擁有更大的相角裕度?？偟膩碚f，新型LCL結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)方案的濾波效果相差無幾，但是能更好地保護濾波電容，優(yōu)勢明顯。

1.3 LCL-STATCOM控制策略

由圖4(b)可以看出，新型LCL和傳統(tǒng)LCL結(jié)構(gòu)在低頻段的伯德圖特性基本一致，而LCL濾波器和L濾波器，在低頻段的伯德圖特性基本一樣，所以可以按照一般的經(jīng)L并網(wǎng)的STATCOM進行控制器設(shè)計[12-13]。STATCOM主要是基于VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器，可以看作一臺不帶直流負(fù)載的PWM整流器，忽略各元件寄生電阻，按照VSR在-坐標(biāo)系下的模型可得。

采用PI調(diào)節(jié)器分別對電壓外環(huán)以及電流內(nèi)環(huán)進行控制，STATCOM在運行時，會有開關(guān)損耗等一系列損耗，所以需要系統(tǒng)提供少量有功分量，參考電流的有功分量由電壓外環(huán)經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到，無功分量由電網(wǎng)檢測得到?？刂瓶驁D如圖5所示。

2 仿真驗證

對經(jīng)兩種濾波結(jié)構(gòu)并網(wǎng)的STATCOM仿真。圖1為新型LCL-STATCOM系統(tǒng)仿真電路，具體仿真參數(shù)如表2所示。LCL濾波器參數(shù)按照表1設(shè)置，傳統(tǒng)LCL相比于新型LCL結(jié)構(gòu)，缺少了諧振模塊1和串聯(lián)電感3，其余參數(shù)均和新型LCL結(jié)構(gòu)一致。因為實際運行中，濾波支路的5、7次諧波主要來自于非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波和電網(wǎng)背景諧波，所以在只帶負(fù)載諧波、只帶電網(wǎng)背景諧波及負(fù)載諧波和電網(wǎng)背景諧波共同作用三種情況下，對傳統(tǒng)LCL濾波結(jié)構(gòu)和新型LCL濾波結(jié)構(gòu)進行仿真比較。通過一個不可控二極管整流器帶電阻負(fù)載來模擬負(fù)載有諧波的情況。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

2.1 三種情況的仿真波形

在只帶負(fù)載諧波、只帶電網(wǎng)背景諧波及負(fù)載諧波和電網(wǎng)背景諧波共同作用三種情況下，分別對兩種結(jié)構(gòu)進行仿真。傳統(tǒng)LCL濾波結(jié)構(gòu)和新型LCL濾波結(jié)構(gòu)濾波支路的仿真電流及其FFT分析如圖6所示，a(1~3)和b(1~3)分別代表三種情況下，傳統(tǒng)LCL結(jié)構(gòu)和新型LCL結(jié)構(gòu)的波形圖。將三種情況下系統(tǒng)的阻尼損耗和5次諧波附近諧波含量比較多的頻率列表如表3所示。

(a) 傳統(tǒng)LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(b) 新型LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 三種情況下濾波支路的FFT

Fig. 6 FFT analysis of filter branch under three cases

通過對表3和圖6流經(jīng)濾波支路的電流的比較，可以發(fā)現(xiàn)，相比于(b)，在(a)中，電流含更多的5、7次諧波成分；在(b)中，210?Hz周圍諧波有少量增長，這是因為諧振模塊1引入的低阻抗串聯(lián)諧振點2的作用，若增加阻尼電阻可以有效地降低210?Hz處的諧波含量，將阻尼電阻增加到1.45?Ω可以有效地抑制210?Hz處的諧波，但是阻尼損耗會明顯增加(以電網(wǎng)背景諧波作用下為例，阻尼損耗從13.5?W增加到39?W)。因為實際運行中，一般很少會有210?Hz的諧波，所以本拓?fù)錇榱私档蛽p耗，沒有加大阻尼電阻。由圖6(a)，可以看出一旦電網(wǎng)有了一定的背景諧波(往往是5、7次諧波)，濾波支路的5、7次諧波是成倍地上漲，此時，電容損毀的情況變得尤為常見。而由圖6(b)可以看出，本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在大幅衰減流經(jīng)濾波支路的5次諧波電流的同時，對7次諧波電流也有部分衰減。

由圖6和表3可以看出，三種情況下，新拓?fù)涞闹冯娏骰兟拭黠@低于傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以有效地降低無源阻尼的損耗，提高系統(tǒng)效率；抑制了流經(jīng)濾波支路的5次諧波電流，并衰減了7次諧波電流，很好地保護了濾波電容。

表3 三種情況下特定頻率諧波畸變率

2.2 并網(wǎng)電流仿真

為進一步了解兩種濾波結(jié)構(gòu)對并網(wǎng)電流的影響，對并網(wǎng)電流進行仿真。因為實際應(yīng)用中，流經(jīng)濾波支路的5、7次諧波主要來源于電網(wǎng)背景諧波，所以本文僅針對在電網(wǎng)背景諧波單獨作用的情況下，對兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并網(wǎng)電流進行仿真，如圖7所示。

因為本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)固有的諧振頻率(由2.39?kHz升高到2.73?kHz)，在同樣大小的阻尼電阻作用下，具有更好的諧振抑制效果；所以圖7中，新拓?fù)湓谝种?、7次諧波流經(jīng)濾波支路的同時，并網(wǎng)電流畸變率略小于傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

3 實驗驗證

為驗證理論分析的正確性，在電網(wǎng)有背景諧波的情況下，搭建了基于LCL濾波的STATCOM實驗平臺，用FLUKE公司的F-435作為波形錄制設(shè)備。因為實際應(yīng)用中，各元件存在寄生電阻、接觸電阻，這些電阻足以充當(dāng)系統(tǒng)的阻尼電阻，所以實驗中不再接阻尼電阻。同時為了防止傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)濾波電容在實驗中發(fā)生損毀的情況，電網(wǎng)背景諧波給定量也要比仿真量小一點。受限于實驗條件，對部分參數(shù)進行修改，改動后的參數(shù)如表4所示。

表4 系統(tǒng)實驗參數(shù)

圖8為在電網(wǎng)背景諧波作用下，流經(jīng)濾波支路的實驗波形及其諧波分析。因為濾波支路主要的諧波成分為開關(guān)頻率處的諧波，F(xiàn)-435在頻譜分析時，只能分析到2.5?kHz，所以實驗中濾波支路電流的畸變率要明顯低于仿真電流畸變率。

為更具體地對比兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)流經(jīng)濾波支路的5、7次諧波含量，將圖8中5、7次諧波列表如表5所示。

(a) 傳統(tǒng)LCL結(jié)構(gòu)

表5 電網(wǎng)背景諧波作用下特定頻率諧波畸變率

由圖8(a)、(b)和表5可以看出，新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確有效地抑制了流經(jīng)濾波支路的5次諧波；因為實驗中部分元件參數(shù)有所偏差，導(dǎo)致并聯(lián)諧振模塊的諧振頻率往低頻段有所漂移，使得從圖8中可以看出新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對2、3、4次諧波也有明顯的衰減。最終導(dǎo)致7次諧波衰減量不是很明顯，但是也有部分衰減。綜上所述，選取合理的參數(shù)以后，是可以達到本文理論分析的效果的；實驗情況符合理論分析結(jié)果，說明本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是有效可行的。

4 結(jié)論

本文的主要內(nèi)容如下：

1)?首次提出了一種適用于并網(wǎng)逆變器的新型LCL濾波器，并以STATCOM為例進行說明。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過并聯(lián)諧振實現(xiàn)了衰減5、7次諧波流經(jīng)濾波支路的目的，設(shè)置為開關(guān)頻率的串聯(lián)諧振，有效地過濾了開關(guān)頻率處的諧波。

2)?推導(dǎo)得出了新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)濾波支路電流和系統(tǒng)電壓的關(guān)系，得到了對應(yīng)的伯德圖。

3)?合理地選擇了濾波器的元件參數(shù)，通過仿真和實驗驗證了本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性和相關(guān)理論的正確性。

本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在衰減了5、7次諧波流進濾波支路的同時，保護了濾波電容；減少了阻尼電阻的損耗，提高了系統(tǒng)的效率。

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(編輯 魏小麗)

A novel LCL filter adopted in grid-connected inverter

JIN Liangliang1, ZHOU Lidan1, YAO Gang1, ZHANG Song2, FENG Wenjun2, MAO Weijian3

(1. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion (Shanghai Jiao Tong University), Ministry of Education, Shanghai 200240, China; 2. State Grid Urban Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 200080, China;3. Shanghai Zhadian Gas Turbine Power Generation Co., Ltd., Shanghai 200122, China)

LCL-filter adopted in grid-connected inverter has its resonant issue meanwhile the capacitor is vulnerable under the impact of 5, 7 harmonic. To this end, a new LCL topology is proposed with two resonances introduced in its filter branch, i, e. a parallel one to get the capacitor protected and a serial one to decrease switching harmonics. The transfer function of filter branch current and grid voltage under the scheme is presented firstly, then the influence of filter capacitance perameters variation on tuning point of filter branch and the basic process of parameters selection are put forward. Comparison results considering novel LCL-filter and traditional LCL-filter are presented, which show that the novel topology can achieve almost the same damping effect as by traditional topology, meanwhile, getting the capacitor well protected and decreasing power loss caused by passive damping.

LCL-filter; passive damping; parallel resonance; series resonance; STATCOM

10.7667/PSPC151260

2015-07-21；

2015-08-04

金亮亮(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為新能源并網(wǎng)逆變器；E-mail: 461109452@qq.com

周荔丹(1973-)，女，博士，副研究員，研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；E-mail: zhoulidan@sjtu.edu.cn

姚 鋼(1977-)，男，通信作者，博士，副研究員，研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。E-mail: yaogangth@ sjtu.edu.cn