一种基于LCL型滤波器的优化方法

刘建科， 于克锐

(1.陕西科技大学 理学院， 陕西 西安　710021； 2.陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安　710021)



一种基于LCL型滤波器的优化方法

刘建科1， 于克锐2

(1.陕西科技大学 理学院， 陕西 西安710021； 2.陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：针对LCL型滤波器的传统无源阻尼方法存在阻尼电阻功率损耗较大的缺点，提出了分裂电容方法。该方法将传统无源阻尼方法的电容支路分为两部分，只在其中一个电容上串联阻尼电阻.从阻尼效果和阻尼电阻的功率损耗两个方面分析了新方法.结果表明，选择合适的阻尼电阻后，采用新方法能够获得与传统方法基本相同的阻尼效果，并且能够降低阻尼电阻的功率损耗.同时应用 Matlab/Simulink对所提出的方法进行仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性.

关键词：LCL型滤波器； 无源阻尼方法； 分裂电容方法

0引言

相对于传统的L型滤波器，LCL型滤波器对高频谐波的抑制效果更为理想，并逐渐应用于大功率、低开关频率的并网变换器等设备中.尽管LCL型滤波器滤除高频谐波的效果非常好，但由于LCL型滤波器是一个三阶系统，其幅频特性存在一个谐振峰，会对系统的稳定性和输出电流产生不利的影响.如何改进LCL型滤波器的性能，成为LCL型滤波器应用中讨论的热点[1,2].在滤波器的应用中，基于“虚拟电阻”思想的有源阻尼方法需要增加额外的电流或者电压传感器，增加了控制算法的复杂程度，对控制器提出了较高的要求；而无源阻尼方法实现简单，不需要增加传感器和控制算法，缺点是存在有功功率损耗，降低了系统的效率[3,4].

本文针对传统的LCL型滤波器的无源阻尼方法存在功率损耗较大的缺点，提出一种分裂电容方法.该方法将传统无源阻尼方法中的电容分为两部分，即并联的两个电容支路，只在其中一个电容支路上串联阻尼电阻，另一个支路不串联.从阻尼效果和功率损耗两个角度，对新方法进行分析，并与传统的无源阻尼方法进行对比.

1传统无源阻尼方法

LCL型滤波器系统谐振的产生，究其本质是因为系统的阻尼较低导致的.在理论上，增加系统阻尼即可抑制谐振的发生，提高系统的稳定性[5,6].最简单易行的方法是在滤波器回路中增加阻尼电阻，文中分析的就是在电容支路上串联阻尼电阻的结构，如图1所示.ui、uo分别为输入电压和输出电压；L1、L2和C分别为LCL型滤波器的输入侧电感、输出侧电感和电容；ii和io分别为滤波器的输入侧电流和输出侧电流，R0为电容支路上的阻尼电阻.

图1　传统无源阻尼方法

图2　传统无源阻尼方法结构框图

由图2所示的LCL型滤波器无源阻尼方法的结构框图，可以列写出其传递函数：

(1)

其中，

2分裂电容方法

图3给出了LCL型滤波器分裂电容方法的电路结构.该方法是将图1中的电容支路改为并联的两个电容支路，并且只在其中一个电容支路上串联阻尼电阻.

图3　分裂电容方法

图4　分裂电容方法结构框图

图4中所示的LCL型滤波器分裂电容方法对应的传递函数为

(2)

其中，

3对比分析

3.1　滤波阻尼效果

先对分裂电容方法的阻尼效果进行分析.根据式(1)(2)可以得到传统无源阻尼方法和分裂电容方法的波特图，如图5所示.其中各元件参数分别为：L1=600μH，L2=500μH，C=250μF，R0=7.5 mΩ，C1=C2=125μF.

(a) 传统无源阻尼方法

(b) 分裂电容方法图5　两种LCL型滤波器的波特图

通过图5中两种方法的波特图的对比可以看出，采用传统方法，在一定的频率范围内，控制系统会突然发生谐振，产生一个陡峭的正向谐振峰，并在谐振频率处发生相角跳变，严重影响输出电流的波形品质；而采用分裂电容方法，谐振发生的频率更高，谐振峰值较小，输出电流受到的影响较小，其波形品质也更好.

考虑到电感L1、L2以及电容C1、C2均属于量纲较小的数值，式(2)中分母里的s4项系数会非常小，因此可以忽略s4项的影响.在此基础上，令式(2)等于式(1)，并且令C1=C2，则可得R=2R0.即对于分裂电容方法，要得到与传统无源阻尼方法基本相同的阻尼效果，阻尼电阻的取值等于传统方法的阻尼电阻取值的2倍.

综上所述，对于分裂电容方法，阻尼电阻的取值等于传统无源阻尼方法的阻尼电阻取值的2倍时，可以得到与传统无源阻尼方法基本相同的阻尼效果.但实际应用中，考虑到式(2)中s4项系数的影响，如果要达到相同的滤波阻尼效果，R必须大于R0的2倍以上.

3.2　功率损耗

分析传统无源阻尼方法和分裂电容方法中阻尼电阻功率损耗的问题，主要考虑基波频率ω1、谐振频率ω2和开关频率ω3三种情况[7,8].其中，

(3)

由图(1)可以得出，传统阻尼方法电路中RC支路的阻抗为

(4)

式中ω为角频率.

则阻尼电阻上消耗的功率为

(5)

式中Uc为滤波电容相电压的有效值.

设分裂电容方法电路中串联的阻尼电阻为R=nR0.由图3可以得出，分裂电容方法电路中RC支路的阻抗为

(6)

则阻尼电阻上消耗的功率为

(7)

当取C=2C1时，根据式(5)(7)可得分裂电容方法与传统无源阻尼方法的阻尼电阻的功率损耗比为

(8)

根据式(8)可知，对于基波频率(ω1=50 Hz)，当n≤4时，分裂电容方法中阻尼电阻的功率损耗将小于传统方法中阻尼电阻的损耗；对于谐振频率(ω2=600 Hz，按3.1中参数求得)，当n≤6时，分裂电容方法阻尼电阻的功率损耗将小于传统方法；由于开关频率ω3的实际取值较大(本文中取ω3=2 000 Hz)，当n≤1时，分裂电容方法无源阻尼的功率损耗将小于传统方法.可知，当n取合适值时，分裂电容方法可以很好地解决阻尼电阻功率损耗过大的问题.

4仿真验证

为验证理论分析的正确性，将传统方法与新方法滤波器应用在并网逆变器中，并将其单相电路在MATLAB/Simulink下进行了仿真研究[9-12].图6给出了LCL型并网逆变器单相主电路图，图6(a)和(b)分别为传统无源阻尼方法和分裂电容方法.为了达到对比效果，两种方法采用相同的拓扑结构，分裂电容方法只是将传统RC支路更换为前述所示的两个支路.

(a)传统无源阻尼方法

(b)分裂电容方法图6　LCL型并网逆变器单相主电路图

仿真实验中的主要参数分别为：Ui=20 V，L1=600μH，L2=500μH，C=250μF，R0=300 mΩ，C1=C2=125μF.图7和图8分别为传统无源阻尼方法和分裂电容方法LCL型并网逆变器输出电流io的波形.其中，图8(a)、(b)和(c)分别为R=600 mΩ、750 mΩ和900 mΩ时io的波形.比较图7与图8，可以得出，当R=750 mΩ时，分裂电容方法的阻尼效果基本等同于传统方法的阻尼效果；并且，此时分裂电容方法中阻尼电阻的功率损耗为PR=6.6 w，传统方法中阻尼电阻的功率损耗为PR0=7.3 w，说明分裂电容方法一定程度上改善了阻尼电阻的功率损耗问题，这一优势在大功率发电系统中会更加明显.

图7　传统无源阻尼方法io的波形

(a) R=600 mΩ

(b)R=750 mΩ

(c)R=900 mΩ图8　分裂电容方法io的波形

5结论

传统的LCL型滤波器无源阻尼方法虽然在阻尼效果上有了显著提高，保证了并网电流的品质，却存在着阻尼电阻功率损耗较大的问题.

本文提出一种基于传统LCL型滤波器的分裂电容方法，从阻尼效果和降低功率损耗两个方面说明了新方法的可行性.仿真分析结果表明，选择合适的阻尼电阻后，采用分裂电容方法既能够达到与传统无源阻尼方法基本相同的阻尼效果，还能够明显降低阻尼电阻上的功率损耗.随着并网光伏发电技术的发展，大功率发电已经成为光伏发电的主要趋势，而在大功率发电系统中，新方法的优势将更加明显.

参考文献

[1] 侯睿，武健，徐殿国．并联有源滤波器LCL滤波器特性分析及设计方法[J].电工技术学报，2014，29(10)：191-198．

[2] 绍文权，宋江喜，程远，等．基于自适应遗传算法的风力发电系统网侧LCL滤波器的优化设计[J].电力系统保护与控制，2013，41(21)：116-121．

[3] 尹靖元，金新民，吴学智，等．基于带通滤波器的LCL型滤波器有源阻尼控制[J].电网技术，2013，37(8)：2 376-2 382．

[4] 黄宇淇，姜新建，邱阿瑞．LCL滤波的电压型有源整流器新型主动阻尼控制[J].电工技术学报，2008，23(9)：86-91．

[5] 王峰，徐政，薛英林，等．单相电路谐波及无功电流新型检测方法[J].高电压技术，2007，33(3)：163-166．

[6] 王峰，徐政，薛英林．参数可调节的高压直流输电系统直流滤波器设计方案[J].高电压技术，2011，37(4)：1 035-1 040．

[7] 王要强，吴凤江．阻尼损耗最小化的LCL滤波器参数优化设计[J].中国电机工程学报，2010，30(27)：90-95．

[8] 阚加荣，谢少军，吴云亚，等．逆变器侧电流反馈的LCL滤波并网逆变器参数设计[J].电力系统自动化，2013，37(17)：119-124．

[9] 赵清林，郭小强，邬伟扬．单相逆变器并网控制技术研究[J].中国电机工程学报，2007，27(16)：60-64．

[10] 薛定宇．基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2006．

[11] 彭双剑，罗安，荣飞，等．LCL滤波器的单相光伏并网控制策略[J].中国电机工程学报，2011，31(21)：17-24．

[12] 赵晋斌，张元吉，屈克庆，等．单相LCL并网逆变器控制策略综述[J].电工技术学报，2013，28(10)：134-142．

An optimization method based on LCL filter

LIU Jian-ke1， YU Ke-rui2

(1.College of Science, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:There is a defect in the traditional passive damping scheme of LCL filter that the power loss of damping resistor is high.In allusion to it,a split-capacitor scheme is proposed.In the proposed scheme the capacitor branch of LCL filter is divided into two parts and the damping resistance is only connected to one of the two parts.The damping effect and the power loss are theoretically analyzed by using the proposed scheme.Comparison results show that selecting appropriate damping resistance almost can achieve the same damping effect as by traditional scheme and the power loss of damping resistor can be reduced.At the same time,when using Matlab/Simulink simulation of the proposed method,the correctness of theoretical analysis is verified by simulation results.

Key words:LCL filter; passive damping scheme; split-capacitor scheme

作者简介:刘建科(1966-)，男，陕西周至人，教授，研究方向：光电子技术

基金项目：国家自然科学基金项目(51272145)； 陕西省科技厅自然科学基金项目(2011JM1014)

*收稿日期:2015-10-03

中图分类号：TM713

文献标志码：A

*文章编号：1000-5811(2015)06-0158-04