1、LCL濾波在PWM整流器中的應用于京生(石家莊學院電子信息工程系,河北石家莊050035)ApplicationofLCL2filterBasedThree2phasePWMRectifierYUJing2sheng(DepartmentofElectricInformationEngineering,ShijiazhuangUniversity,Shijiazhuang050035,China)摘要:采用LCL濾波可以有效地減小PWM整流器開關頻率及其倍數的高次諧波。但是LCL濾波元件存在諧振問題,會嚴重影響系統的穩定性。針對上述問題,提出了可以根據系統要求及成本因素,性。關鍵詞:LCL濾波

2、器;PWM整流器;諧振;抑制電阻;虛擬電阻中圖分類號:TM464文獻標識碼:A文章編號:100122257(2008)0620070203Abstract:LCLfiltercanreducetheswitchingfrequencyrippleofthethree2phasepulsewidthmodulation(PWM)rectifier.Themaingoalistoruducetherippleataresonablecost,meanwhilea2voidingresonancethenachievingasteadymargin.Inthispaper,controlmethod

3、sbasedondampingresistorandvirtualresistorarepresented.There2sultsofsimulationusingMatlabshowthevalidityoftheproposedmethod.Keywords:LCLfilter;PWMrectifier;reso2nance;dampingresistor;virtualresistor開關頻率及其倍數的高次諧波,會對電網造成污染,。采用LCL。在低2個L濾波器,且比L濾波的電感值小,因LCL濾波可以采用相對較小的濾波元件,減小了濾波元件體積。但LCL濾波存在諧振問題,諧振頻率時,濾波元件

4、諧振,嚴重影響系統的穩定性。濾波電容串聯電阻能解決諧振頻率時LCL濾波器零阻抗的問題,但串聯電阻會影響效率。基于同種思想提出的虛擬電阻方法也能有效抑制諧振。本文分析了2種方法的特點,最后,通過仿真證明2種方法的可行性。1LCL濾波原理串聯電阻LCL濾波的三相PWM整流器模型如圖1所示,其中R為線路阻抗。LCL濾波器中的LC部分主要減少高頻的電流紋波,電容C可以為PWM紋波電流中的高頻分量提供低阻抗的通道1。LCL濾波的PWM整流器系統,低頻時相當于L濾波的整流器;高頻時,需要考慮LCL對系統穩定性的影響。0引言PWM整流器以其諧波污染小、功率因數高及能量能夠雙向流動等優點,得到了越來越廣泛的應

5、用。通常PWM整流器網側使用L濾波,結構簡單,但電感通常體積很大,而且PWM整流器產生的收稿日期:2008203212圖1串聯電阻LCL濾波的三相PWM整流器1.1LCL濾波的PWM整流器模型取單相LCL濾波器進行分析,如圖2所示。忽略Rd或Rd=0時,可以得到電流控制環的傳遞函數為:機械與電子2008(6)70出網側電感。由式(1)、式(2)可得:22()G4s=2ig(s)zLC(6)圖2單相LCL濾波器模型G1(s)=2v(s)Ls(s2+res)G2(s)=22v(s)Ls(s+res)zLC=LgCf-122(1)(2)可以看出Lg有諧波電流再次減幅的作用。開關頻率及其倍數的諧波最大

6、,計算G4(s)時將s=fsw,其中h為整數。jhsw,sw=2d.求出諧振頻率:fres=LgCf2(7),res=(Lg+L)zLC/L當電流傳感器設置在整流器一側的時候,控制的傳遞函數為式(1);電流傳感器設置在交流側的時候,控制的傳遞函數為式(2)。因此,電流傳感器的位置不同,從而對系統穩定性的影響也不同,。在考慮串聯諧振電阻時,電流控制環的傳遞函數為:22(3)G3(s)=22v(s)Ls(s2+RdCfres+res)1.2LCL濾波器的參數設計LCL濾波器參數需要考慮整流器的功率等級,交流頻率以及開關頻率等因素。設En為額定線電壓;Pn為額定功率;n為交流頻率。濾波器的參數為基值

7、的百分數。基值為:(4)Zb=(En)/Pn,Cb=1/nZb設res為諧振頻率;sw為開關頻率;k為諧振頻率與開關頻率的比例。諧振頻率與交流頻率的關系為:res=k(5)swLCL濾波器參數的選取要充分考慮限制因素的影響,參數計算分為以下步驟:a.根據L濾波PWM整流器的模型2計算出總電感,總的電感不但要滿足整流器有功(無功)功率指標,而且要快速電流跟蹤,還要能夠抑制諧波電流,網側電感可以作為整流器側電感的一部分,Lg=rL。b.電容值影響額定功率下功率因數,避免出現電容選取不當而使功率因數降低很多,選擇在額定條件下被吸收的無功功率來決定電容值,Cf=xCb。c.選擇要求的紋波減幅,從而獲得

8、r,然后計算機械與電子2008(6)諧振頻率的范圍應該在10倍的交流電壓頻率與1/2的開關頻率之間,3e.,如果阻尼,可系統損耗升高,并fres。抑制電阻可取Rd=2Cf/3。參考文獻4提出參數計算的系數為:Lg=0.5L,Cf=0.06Cb2基于阻尼思想的控制策略諧振頻率時LCL濾波器的阻抗為0,如果不采取抑制措施,會導致諧振頻率處諧波的幅值增大,從而增加了線電流中高次諧波的含量,增大了電流的諧波畸變率,對整流器的穩定會造成很大的影響。造成這種現象的原因在于濾波電容的引入增加了系統傳遞函數的極點,使系統不穩定。2.1串聯電阻的控制方式在電容上串聯電阻可以增大阻尼,起到抑制諧振,提高系統穩定性

9、的作用。整流器采用SVPWM的控制方法,LCL濾波其結構影響了交流電流和交流電壓的采樣點位置。電流傳感器的位置選定在整流器的一側,電壓傳感器采樣交流網壓。控制框圖如圖3所示,與L濾波PWM整流器的控制基本一致。其中R為線路阻抗。串聯電阻的控制方式沒有新增傳感器,控制結圖3PWM整流器同步坐標系下模型結構71構簡單,實現容易;但缺點是電阻會影響系統的效率,大功率時電阻發熱量大還需要散熱。2.2虛擬電阻的控制方式8155%。根據濾波電容串聯電阻LCL濾波和虛擬電阻LCL濾波的網側電流諧波分析,有阻尼可以有效地串聯電阻能夠有效抑制系統超調,為避免抑制電阻帶來的損耗,根據串聯電阻的結構框圖,在控制上采

10、用虛擬電阻的控制策略,而應用上不會帶來實際電阻的損耗。串聯電阻的結構如圖4所示。抑制諧振,降低諧波含量。濾波電容串聯電阻的LCL濾波以及基于虛擬電阻的LCL濾波都可以有效地抑制諧振,網側電流諧波含量少,諧波畸變率較低分別為0.82%和1.21%。仿真結果顯示串聯電阻與虛擬電阻的LCL濾波效果近似,都能起到很好的減小諧波的作用。4結束語圖4LCL濾波串聯電阻的濾波器結構LPWM整流器,可以得出如下結論:濾波器在濾除開關頻率及其倍數的諧為了取代串聯的抑制電阻,可將串聯電阻的結構框圖轉換為圖5所示。Lg的電流,波等方面可以得到很好的效果,可以降低電流諧波畸變率,改善電流波形。b.串聯電阻與虛擬電阻的

11、濾波器結構都各有優點。串聯電阻控制方法簡單,實現容易,在較大功率的時候會有功率損耗;虛擬電阻的方法控制復雜,并圖5虛擬串聯抑制電阻的濾波器新增了傳感器,成本高,實現上比串聯電阻難。因此,在LCL濾波結構選擇時,應當對比選擇合適的濾波器結構。參考文獻:1LindgrenM,SvenssonJ.Controlofavoltage-sourceconverterconnectedtothegridthroughanLCL2filter2applicationtoactivefiltering.InProcC.IEEEPESC98,1998.229-235.2張崇巍,張興.PWM整流器及其控制M.北京

12、:機虛擬電阻的LCL濾波器比串聯電阻的濾波器多一個電流傳感器,需要檢測網側交流電流。濾波電容電壓與網壓接近,檢測濾波電容電壓,進行PD2PI調制5,不用新增傳感器,但參數選取較難。虛擬電阻的LCL濾波器引入了微分環節,微分對高頻信號有放大作用,實際應用時可能帶來噪聲問題。3系統仿真結果利用Matlab/Simulink搭建三相電壓型PWM整流器仿真電路,分別對串聯電阻和虛擬電阻的抑制方式仿真。由上述LCL濾波器參數設計規則,可以得出濾波器電感電容的參數:變流側電感Lg=118mh,網側電感Lg=3.5mh,濾波電容Cf=22械工業出版社,2003.3LiserreM,BlaabjergF,Ha

13、nsenS.DesignandcontrolofanLCL2filterbasedactiverectifierC.InProc.IAS01,Sept./Oct,2001.299-307.4BojrupM.AdvancedControlofActiveFilterinaBat2terChargerApplicationZ.LicencieteThesis,LundInstituteofTechnology,Sweden,1999.5BlaskoVladimir,KauraVikram.Anovelcontroltoac2tivelydampresonanceininputLCfilterofathree2phagevoltagesourceconverterJ.IEEETransactions2onIndustryApplication,1997,33(2):542-550.F,Rd=100。線電壓有效值為380V,直流電壓為7