LCL濾波器穩(wěn)定性分析

郭寶甫，王衛(wèi)星，鄧超然，徐 軍，孫 芊

(1.國家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000; 2.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

LCL濾波器比L濾波具有更好的濾波特性，在電感值相同的情況下，濾波效果更好，因此廣泛應(yīng)用在各種變流器中。但是LCL濾波器本身是三階系統(tǒng)，存在諧振尖峰[1-3]。因此，必須對(duì)LCL濾波進(jìn)行一定的處理。目前常見的處理手段主要是將電阻串聯(lián)或者并聯(lián)在LCL濾波的電容上。這種方式屬于增加無源負(fù)荷，雖然可以在一定程度上削弱LCL的諧振尖峰，但是，引入無源負(fù)荷會(huì)降低LCL濾波器的高頻特性[4]，并且會(huì)引入更多的熱源，從而增大變流器散熱難度，也會(huì)降低變流器的工作效率。

目前的研究方向主要是采用虛擬阻抗法實(shí)現(xiàn)對(duì)LCL諧振尖峰的抑制[5]。但是，LCL由于本身穩(wěn)定性很差，采用虛擬阻抗法很可能需要進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)試工作；此外，如果變流器受到外界的干擾，則很容易出現(xiàn)不受控的情況。

1 采樣方式對(duì)LCL濾波虛擬阻抗控制的影響

對(duì)于采用LCL濾波電路的變流器而言，在進(jìn)行輸出控制時(shí)，其電流電壓的選擇可從變流器側(cè)或者電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行選擇。兩種采樣方式如圖1所示。

圖1 LCL濾波器示意圖

為了分析兩種采樣方式的區(qū)別，本文利用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真模型將變流器設(shè)定為電流源，并采用直接并網(wǎng)的方式進(jìn)行運(yùn)行，因此，輸出口的電壓由電網(wǎng)系統(tǒng)決定，不受到變流器輸出的影響。

1.1 從變流器側(cè)采樣

此時(shí)，圖1所示的整個(gè)系統(tǒng)可以看做是采用電感為L1的L濾波器的變流器經(jīng)過一個(gè)LC濾波器后接入電網(wǎng)。因此，此時(shí)的控制方式穩(wěn)定裕度較大，整個(gè)系統(tǒng)容易穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)，C和L2就可以看做是外加的LC濾波器，也可以看做是電網(wǎng)的阻抗。

圖2 變流器側(cè)采樣控制得到的變流器輸出電流

圖3 變流器側(cè)采樣控制得到的變流器輸出電壓

圖4 變流器側(cè)采樣控制得到的變流器功率輸出情況

從圖2～圖4的仿真結(jié)果中可以看出，變流器輸出電壓和電流十分穩(wěn)定，并沒有出現(xiàn)諧振問題。說明在該采樣點(diǎn)采樣可以有效提高虛擬阻抗法穩(wěn)定性。但是，仿真得到的電壓電流存在一定的角度偏差，說明該方法需要變流器提供一定的無功補(bǔ)償。

但是，由于閉環(huán)控制并沒有直接從變流器出口進(jìn)行采樣，因此，可能會(huì)存在變流器實(shí)際輸出功率與設(shè)定值有較大偏差等問題。

1.2 從網(wǎng)側(cè)采樣

從網(wǎng)側(cè)采樣，缺少對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部最可能出現(xiàn)諧振部分的控制，整個(gè)閉環(huán)控制的穩(wěn)定性較差,容易出現(xiàn)內(nèi)部震蕩等問題，這也是LCL濾波需要解決的重要問題。但是，相應(yīng)的，由于直接從變流器輸出側(cè)采樣信號(hào)，因此，在變流器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，可以很好地控制變流器輸出的有功功率和無功功率。

圖5 變流器側(cè)采樣控制得到的變流器輸出電流

從圖5所示的網(wǎng)側(cè)采樣仿真結(jié)果中，可以看出，從網(wǎng)側(cè)采樣，很難保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文認(rèn)為造成該情況主要原因是變流器在進(jìn)行PI控制時(shí)，缺少對(duì)輸入LCL濾波器波形的控制，導(dǎo)致LCL濾波器中很容易出現(xiàn)諧振頻率附近的諧波，從而導(dǎo)致整個(gè)濾波系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的諧振情況。

2 變流器功率偏移的解決方案

為了研究變流器功率偏移情況，本文首先分析造成變流器出現(xiàn)功率偏移的原因。圖1所示的變流器并網(wǎng)系統(tǒng)中，變流器直接并聯(lián)到電網(wǎng)系統(tǒng)中。因此，變流器并沒有外接負(fù)載。

將LCL濾波器分解成L濾波以及CL負(fù)載。因此，可以看做負(fù)載的部分只有CL，如果把電感和電容當(dāng)做理想器件，那么變流器側(cè)采樣得到的有功功率與變流器實(shí)際輸出的有功功率應(yīng)該是相同的，僅有無功功率存在一定的區(qū)別。

為了解決上述問題，本文分別采用開環(huán)和閉環(huán)控制兩種方式補(bǔ)償無功，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2.1 開環(huán)控制

由上文分析可知，如果采用變流器側(cè)采樣，則LCL濾波器可以分解成L濾波和CL負(fù)載，而CL負(fù)載的參數(shù)是已知的，這樣可以計(jì)算得到無功功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。

圖6為LCL濾波器簡(jiǎn)化后的示意圖，從圖中可以得到式(1)。

(1)

從式(1)可以看出，由于采用虛擬阻抗法，Vin、i1、ic都是已知量，該式可以求得i2和uout。因此，可以求得電容和電感L2的無功功率Qc和Q2。此時(shí)，控制變流器側(cè)輸出無功為Qc+Q2就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的開環(huán)補(bǔ)償。

開環(huán)補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果如圖7所示。

從仿真結(jié)果看出，采用開環(huán)補(bǔ)償可以較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器輸出無功的補(bǔ)償。但是開環(huán)控制存在對(duì)電路參數(shù)要求大等問題，在進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，需要根據(jù)變流器的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

2.2 閉環(huán)控制

考慮在工程實(shí)踐中往往難以對(duì)每個(gè)變流器進(jìn)行調(diào)試，因此，在控制策略上需要保證具有一定的穩(wěn)定裕度，從而使得系統(tǒng)能夠在一定參數(shù)誤差范圍內(nèi)均能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，本文在電流環(huán)的參考值確定上，引入變流器輸出的有功和無功功率。通過改變L1輸出電流的參考值，實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器輸出功率的控制。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 閉環(huán)控制仿真結(jié)果

結(jié)合圖7及圖8的仿真結(jié)果，可以看出無論采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，均可以較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出無功功率的補(bǔ)償，但是開環(huán)補(bǔ)償方法需要較大的計(jì)算量，且對(duì)電路參數(shù)較為敏感，往往需要進(jìn)行一定的調(diào)試。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)LCL濾波電路容易出現(xiàn)諧振的問題，分析了在變流器側(cè)進(jìn)行電壓電流采樣及在網(wǎng)側(cè)進(jìn)行電壓電流采樣的穩(wěn)定性區(qū)別，并針對(duì)變流器側(cè)采樣出現(xiàn)的功率偏移現(xiàn)象給出了解決方法，具有一定的工程意義。