三相四桥臂PCS的LCL型滤波器的设计

三相四桥臂PCS的LCL型滤波器的设计

陈海滨，汤雪华，鲍立成，陈江洪

上海电气集团股份有限公司 中央研究院，上海 200070

摘要：PCS(Power Conversion System)是基于3D-SVPWM(三维空间矢量调制技术) 技术的双向储能变流器，也是电池储能系统和整个微网系统中最重要的电力电子装置。由于变流器使用IGBT等高频开关器件，所以形成大量高次谐波信号，不论离网还是并网，都会严重影响电能质量。基于三相四桥臂拓扑模型，提出并设计了针对三相四桥臂的LCL(电感、电容和电感)型滤波器，有效地解决了PCS输出波形含有高次谐波的问题，并且通过参数优化减少了电感使用个数和系统的动态性能。通过Matlab中Simulink的仿真，验证了设计的正确性。

关键词：储能变流器； 三相四桥臂； LCL滤波

近年来我国的雾霾问题越来越严重，从华北地区蔓延至华东和华南地区，人们对于雾霾怨声载道，而新能源成为一个越来越重要的课题被提上议程。国家能源局在2011年12月发布了《国家能源科技“十二五”规划(2011—2015)》中指出，“十二五”期间，我国可再生能源还将继续大规模发展，《规划》指出，到2015年可再生能源发电量要争取达到总发电量的20%以上1]。《规划》中最能体现储能机遇的是，到2015年，我国将建成30个新能源微电网示范工程。这些示范工程以智能电网、物联网和储能技术为支撑，“自发自用、余量上网、电网调剂”是其目标。所以虽然目前储能系统的市场前景不明朗，但是在国家的大力支持下商机无限。

很多公司都以光伏逆变器为基础，研发出了自己的储能变流器(PCS)，但是能够离网运行的三相四线制储能变流器仍然是一大空白。本文研究的储能变流器是基于三相四桥臂拓扑为基础的新型储能变流器，它的优势在于采用第四桥臂专门用来抑制由于不平衡负载带来的零序电流，使三相电压平衡，为储能变流器的发展提供新的可能2]。由于储能变流器采用了高频率的IGBT等开关器件，会产生大量的谐波，所以滤波电路的设计就极其重要了。本文主要论述专为三相四桥臂变流器设计的LCL型滤波电路,相比于传统的L型滤波器，LCL型滤波器具有成本低、体积小的优势3]。

1拓扑结构和基本原理

从图1中可以看出，负载R1、R2和R3并不是平衡负载，所以电流i4、i5和i6也不是平衡电流。但是由于采用了三相四桥臂拓扑、电压分序控制算法和3D-SVPWM(三维空间矢量调制技术)，所以负载上的三相电压是平衡的，而且C1、C2和C3是容值相同的电容，所以根据欧姆定理，电容上的电流是平衡的。由此，根据电流基尔霍夫定律，i7=i8。

图1　三相四桥臂

在G点运用基尔霍夫电流定律和欧姆定律：

i7=i4+i5+i6

(1)

由于VEG、VJG和VHG为三相交流电压，所以进行拉普拉斯变换后：

(2)

式中： ω为基波角频率。

将式(2)代入式(1)，得：

(3)

在E点运用基尔霍夫电流定律和欧姆定律：

i1=(1+C1sR1)i4

(4)

由基尔霍夫电压定律：

VAF=L1si1+i4R1-(-i7L4s)

(5)

将式(4)代入式(5)，得：

VAF=L1s(1+C1sR1)i4+i4R1+i7L4s

=(L1s+L1C1R1s2+R1)i4+L4si7

(6)

再将式(3)代入式(6)，得：

(7)

最终得到负载电流i4和三相四桥臂逆变器输出电压VAF之间的传递函数为：

(8)

同时相应采用L(电感)滤波，则负载电流和输出电压的传递函数为：

(9)

取实际电感值为L1=4mH，电阻值R1=5Ω，则：

(10)

L滤波传递函数通过Matlab软件进行波特图的绘制，如图2所示。

图2　L滤波传递函数波特图

取与L滤波相等的电感值L1=L4=2mH，R1=5Ω，R2=10Ω，R3=5Ω，ω=314rad/s，C1=50μF。代入式(8)，得：

(11)

LCL滤波传递函数通过Matlab软件进行波特图的绘制，如图3所示。

图3　LCL滤波传递函数波特图

由图2和图3中可以看出，在电力电子的功率设备的开关频率10kHz到100kHz内，采用L滤波的滤波器是以-20dB/dec(分贝/十倍频程)衰减的，而采用LCL滤波的滤波器是以-40dB/dec衰减的。在相等电感值的情况下，说明LCL滤波有明显的优势，衰减倍数是L滤波的两倍。在产品级的电力电子设备中，电感或者说电抗器的体积和成本是设计者最关心的指标，如果能减小电感量，使储能变流器的体积和成本大大减小的话，无疑能够使产品更具有竞争力，所以LCL滤波有很大的优势。

2LCL滤波电路参数设计

2.1　电感参数计算

电感L(L1=L2=L3=L)的大小直接决定了输出电流的纹波大小4]，一般系统最大允许纹波电流ΔImax为额定电流的15%~25%，本系统中ΔImax取额定电流的20%。

(12)

对式(12)进行牛顿莱布尼兹变换和离散化可得：

(13)

在一个开关周期内，由伏秒平衡原理可得：

Vo(1-D)Ts=(Vdc-Vo)DTs

(14)

将式(14)代入式(13)，得：

(15)

(16)

故L值为：

(17)

将Vdc=900V、Ts=100μs、ΔiLmax=0.5×20%×50000/220=22.8A代入式(17)，得：

L≥0.99mH

考虑到实际中需要留有一定的余量，则取：

L=1mH

2.2　电容参数计算

LCL滤波器中电容C(C1=C2=C3=C)设计时，既要考虑电容上吸收的无功功率，又要考虑LCL滤波器的谐振频率等因素，滤波器的谐振频率fk与电感L、电容C的关系为：

(18)

当电感L不变时，增大电容能够减小谐振频率，有利于抑制高频谐波。但随着谐振频率的减小，输出谐波电流中在谐振频率附近的低次谐波电流的幅值又会增大5]。

电流内环的频率控制带宽要小于谐振频率，如果谐振频率过小，电流内环存在设计困难。但是如果滤波电容过大，它吸收的无功功率也会过大，这必然导致电流谐波过大，影响整个逆变器的输出性能。故滤波电容C的选择需要综合考虑，不宜过大或过小。

为了使输出的功率因数不会过低，一般选择电容上吸收的无功功率小于额定输出功率的5%，则：

ωCVo2≤5%Po

(19)

式中：Po为输出功率；ω为角频率。

代入参数计算，得：

C≤164μF

如果要取得比较良好的效果，滤波电路的谐振频率不能设置过高。为了降低电流内环的设计难度，滤波器的谐振频率也不能设置过低，一般取滤波电路的谐振频率大于10倍的电网基波频率，小于1/5开关频率。本文所设计的三相四桥臂逆变器的开关频率为10kHz，所以得出以下公式：

(20)

代入具体参数后，得：

6.33μF≤C≤101μF

综合考虑后，取滤波电容为50μF。

3仿真实验结果分析

3.1　仿真模型搭建

本文用Matlab仿真软件进行算法的验证。如图4所示，由于是三相四桥臂的仿真模型，所以Matlab中没有完整的拓扑结构，必须采用一个三相三桥臂的拓扑和一个单相的桥臂进行合成。为了验证LCL的仿真效果，本文搭建了LCL的滤波回路，其中L1、L2、L3、L4、C1、C2、C3组成了LCL滤波回路，R1、R2和R3组成负载，进行算法验证。图5所示为通过L1、L2和L3建立的L滤波的仿真模型，说明两种滤波模型的效果。由于本文的重点是滤波电路的设计，具体的电压分序算法和3D-SVPWM调制方法在此不再赘述6]。

图4　三相四桥臂LCL滤波仿真模型

图5　三相四桥臂L滤波仿真模型

3.2　实验结果分析

将2个仿真模型在相同实验、取相同电感量1mH的条件下，进行对比实验。

如图6和图7所示，L型滤波器在电感为1mH的条件下滤波效果不理想，特别是总谐波系数达到21.48%，不能达到预期和并网条件，更无法进行离网控制。

图6　三相四桥臂L型滤波波形

图7　三相四桥臂L型滤波FFT分析

如图8和图9所示，LCL型滤波器在电感为1mH的条件下滤波效果非常理想，特别是总谐波系数达到0.07%。相比于L型滤波器，LCL型滤波器在相同电感量的条件下，能够达到非常良好的滤波效果。在工程实际中，工程设计人员可以选取较小的电抗器，不仅能大大减小逆变器的体积，也能节省逆变器的成本，为工业设计提供了良好的基础。

4总结和展望

PCS是分布式能源的关键电力电子设备，可解决储能系统和微网系统的能量传输问题。而三相四桥臂拓扑的PCS是解决微网在离网运行时由不平衡负载带来的不平衡电压问题的最新技术手段，是未来电力电子的发展方向。本文涉及的LCL型滤波是三相四桥臂特有的滤波电路，它区别于普通的三相三桥臂的滤波电路，创新地在第四桥臂也加上了电感，相比于单纯的L型滤波，在滤波效果上大大增强，本文从理论上论证了LCL型滤波器的优越性，而且在仿真实验中也验证了LCL型滤波的优势。

图8　三相四桥臂LCL型滤波波形

图9　三相四桥臂LCL型滤波FFT分析

分布式能源是解决未来能源紧缺和环境污染的可靠途径之一，而PCS在其中起着重要的作用。但是由于储能设备的成本居高不下，相应的储能变流器市场也未打开。但是在不久的将来，随着更低成本和更高性能锂电池的出现，储能变流器的未来将更加广阔。

参考文献

1] 闫淑萍.国家能源科技“十二五”规划(摘选)J].河北化工,2012,35(8)： 1-5.

2] 陈红兵.储能功率变换系统(PCS)四桥臂功率变换器及其控制设备D].合肥： 合肥工业大学,2013.

3] 刘飞,查晓明,段善旭.三相并网逆变器LCL滤波器的参数设计与研究J].电工技术学报,2010,25(3)： 110-116.

4] 陈玲.离网型风力发电系统三相四桥臂逆变器D].合肥： 合肥工业大学,2009.

5] 潘冬华,阮新波,王学华,等.提高LCL型并网逆变器鲁棒性的电容电流即时反馈有源阻尼方法.中国电机工程学报,2013,33(18)： 1-10.

6] Tuyen D Nguyen, Hong-Hee Lee. The Control Strategy for a Four-leg Indirect Matrix Converter with Unbalanced LoadC]. IET Conference on Renewable Power Generation (RPG 2011), Edinburgh, UK, 2011.

A Design of LCL Filter in 3-phase 4-leg PCS

ChenHaibin,TangXuehua,BaoLicheng,ChenJianghong

Shanghai Electric Group Co.,Ltd. Central Academe, Shanghai 200070， China

Abstract:PCS (Power conversion system) is a bi-directional power conversion system based on 3D-SVPWM technology (3-D space vector pulse width modulation) and it is the most important power electronic devices in battery energy storage system and in the micro-grid system as well. Due to the use of high-frequency switching devices such as IGBT in the converter, a large number of high-order harmonic signals will be formed to affect the power quality seriously, regardless of off-grid or on-grid. Three-phase four-leg LCL (inductance, capacitance and inductance) filter was designed based on 3-phase 4-leg topology model that could solve effectively the problem i.e. PCS output waveform contains high order harmonics. The number of inductors in use may be reduced and the dynamic properties of the system may be improved via parameter optimization. The correctness of the design was demonstrated through simulation in Simulink of Matlab.

Key Words:Power Conversion System; 3-phase and 4-leg; LCL Filter

中图分类号:TN 35

文献标识码:A

文章编号：1674-540X(2015)01-019-06

作者简介：陈海滨(1988-)，男，研究生，工程师，主要从事电气传动、自动化控制的研究工作，
E-mail： chenhb@shanghai-electric.com

收稿日期：2014-10-21