风电系统网侧LCL滤波器的分析与参数设计

张 蓉，唐 婷

(1．西南交通大学 电气工程学院，成都 610031;2．成都工业学院 电子与电气工程系，成都 610031)

近年来，随着煤、石油、天然气等常规能源的日益枯竭和环境的不断恶化，各国都在积极开发应用可持续发展的替代能源，而风能以其丰富、分布广泛、清洁并能缓和温室效应等特点，作为一种无污染的、可再生的新能源有着巨大的潜力。在风力发电机中广泛采用LCL滤波器，LCL滤波器的参数设计和控制策略都较为复杂［1］，而且本身存在谐振问题，一般在LCL滤波器的电容支路串联阻尼电阻来抑制谐振。本文根据LCL滤波器的数学模型，结合滤波原理，给出了一套参数设计方法，并分析了阻尼电阻对系统的影响。在此基础上，建立了200 kW带LCL滤波器的三相PWM变流器［2－3］并网仿真模型，验证分析理论设计的正确性。

1 LCL滤波器在风力发电机中的应用

由于风能的不稳定性，风力发电机所发出的交流电需先整流成直流电，再由变流器(Voltage Source Rectifier，VSR)逆变成工频交流电。图1是典型的基于PWM变流器的直驱风力发电系统示意图［1］。

图1 直驱风力发电系统示意图

如图1所示，网侧变流器的开关频率为1～15 kHz，开关频率及其整数倍的高次谐波分量将对电网造成谐波污染，不利于电网的运行。在功率等级较低的变流器中，开关频率较高，一般采用单L滤波器，通过增大电感值来抑制开关频率附近的高次谐波。但随着风机单机容量的不断增大，基于效率和可靠性的考虑，变流器功率开关的频率比较小，一般要选择较大的电感才能使网侧电流满足相应的谐波标准。而大电感一般较贵且制造困难，导致系统体积和成本增加，而且会降低系统的动态响应性能和稳定性。

与L滤波器相比，LCL滤波器使用较小的电感就能获得很好的滤波效果，系统主电路如图2所示。Lg、Rg为网侧电感及其寄生电阻;L、R为变流器侧电感及其寄生电阻;Cf为滤波电容;Rd为阻尼电阻;ea、eb、ec分别为三相电网的相电压;iga、igb、igc分别为网侧相电流，ia、ib、ic分别为变流器侧相电流;C为直流母线支撑电容;Vdc为直流母线电压。

图2 带LCL滤波器的并网变流器主电路图

2 LCL滤波器的参数设计

2．1 LCL滤波器的传递函数

为方便分析，假设:1)电网电压为三相对称的纯正弦波;2)电感电容均为理想器件，不考虑饱和;3)开关管均为理想器件，忽略死区时间。由图2可得LCL滤波器单相等效电路图如图3所示，写出LCL滤波器传递函数为:

图3 LCL滤波器单相等效电路图

2．2 滤波器设计的限制条件

LCL滤波器的参数较多，各参数配合取值不同，对系统的影响也不同。具体的参数选择需满足一定的约束条件:1)滤波电容限制滤波电容的引入降低了系统的功率因数，一般电容吸收的无功功率不 能 超 过 系 统 额 定 有 功 功 率 的 5%［2］。2)滤 波 总 电 感 限 制:3)谐振频率限制:10f≤fres≤0.5fsw，谐振频率应尽量避开敏感频段，如开关频率fsw及其整数倍频段2fsw，3fsw等。其中，PN为额定功率;EN为电网电压;总电感LT=Lg+L;Emp为电网相电压峰值;Imp为电网相电流峰值;f为电网基波频率。

2．3 滤波电感的选取

LCL滤波器的谐振频率fres=ωres/(2π)=综合考虑电流跟踪和谐波要求，文献［3］给出了网侧电感的经验公式为:

令Lg=rL。一般来说，越大的总电感Lr，获得的滤波效果越好。但是Lr过大影响系统的响应速度。而且比值r越大，对开关频率及其整数倍次谐波的衰减效果越好，但是也不能太大，通常选取2≤r≤10。

2．4 阻尼电阻的选取

为了抑制LCL滤波器本身存在的谐振，一般采取在电容支路串联阻尼电阻的方法［4－5］。阻尼电阻的选择需综合考虑滤波效果、损耗以及系统稳定性3个方面。阻尼值太大，不仅增大了系统损耗，滤波器的滤波效果就会变差;阻尼值太小，就会增大电流谐波畸变率，而且会使系统不稳定。所以，一般选择谐振点电容阻抗的1/3为阻尼电阻值，即:

假设Rg=R=0，根据式(1)可以写出无阻尼电阻的传递函数为利用Matlab函数做出它们的Bode图进行比较，如图4、5所示。

图4 传递函数G1(s)的Bode图

图5 传递函数G2(s)的Bode图

从图4中可以看出，G1(s)的Bode图上有2个尖峰，正是LCL滤波器的谐振点。但图5中，这2个尖峰被削弱了，正是阻尼电阻的引入，有效地抑制了谐振，系统稳定性增强了。

3 仿真实例

图6 直流母线电压

给定参数如下:PN=200 kW;电网线电压为690 V，频率为50 Hz;开关频率fsw=5 kHz;直流侧电压Udc=1 100 V;支撑电容C=6 800 μF;由公式(2)算出网侧电感为Lg=0．31 mH，取r=2，则变流器侧电感L=0．62 mH。滤波电容取最大值的一半Cf=150 μF，则由公式(3)可计算出Rd=0．39 Ω;使用Matlab/simulink搭建仿真模型，仿真结果如下。

3．1 直流母线电压

给定的直流母线电压为1 100 V。如图6所示，直流母线电压在0．25 s后趋于稳定，较快地跟踪了给定电压。

3．2 滤波前后电流波形比较

图7为变流器侧电流波形，即滤波前电流波形;图8为网侧电流波形，即滤波后电流波形。对比图7、图8可知，LCL滤波前，变流器侧电流中谐波的主要分量为开关频率次及其整数倍次谐波，谐波含量THD为15．30%。经LCL滤波后，明显改善了网侧电流波形，有效地衰减了开关频率倍次谐波，谐波谐波含量THD降为3．44%，滤波效果较好。

图7 变流器侧电流波形

图8 网侧电流波形

4 结语

介绍了一套完整的LCL滤波器参数设计方法，并得出一组数据用于仿真实验。通过仿真波形分析，证明参数设计的正确性，并取得了良好的滤波效果。

［1］付勋波．兆瓦级直驱风力发电系统关键参数及网侧LCL滤波器的研究［J］．电力应用，2010，29(1):56－61．

［2］LISERRE M，BLAABJERG F，HANSEN S．Design and control of an LCL － filter based three－ phase active rectifier［J］．IEEE Transactions on Industrial Applications，2005，41(5):1281 －1291．

［3］于京生．LCL滤波在PWM整流器中的应用［J］．机械与电子，2008(6):70－72．

［4］张宪平，李亚西，林资旭，等．LCL滤波的电压型PWM整流器的有源阻尼控制［J］．电气传动，2007(11):22－25，60．

［5］孙蔚，伍小杰，戴鹏，等．基于LCL滤波器的电压源型PWM整流器控制策略综述［J］．电工技术学报，2008(1):90－96．