2WM全功率LCL建模及优化策略分析

韩向明

摘 要：文章针对2WM全功率LCL建模进行了探讨，分析了LCL的参数指标如谐振频率、总电感量上限、THD、变流器侧电流纹波、纹波抑制比等，并进行了LCL的仿真建模型，最后探讨LCL的参数设计与优化策略，给出了针对性优化方向。

关键词：LCL建模；优化策略；参数指标

中图分类号：TM732 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0133-02

Abstract： In this paper， the modeling of 2WM full power LCL is discussed. The parameters of LCL， such as resonant frequency， upper limit of total inductance， THD， ripple suppression ratio of converter side current， etc.， are analyzed， and the simulation model of LCL is built. Finally， the parameter design and optimization strategy of LCL are discussed， and the targeted optimization direction is given.

Keywords： LCL modeling； optimization strategy； parameter index

1 LCL的参数指标

1.1 谐振频率

考虑电网谐波背景及非线性开关器件特性，网侧电流存在工频5倍、7倍谐波，同时考虑到抑制谐振的阻尼带来的品质因数下降，因此LCL谐振频率需小于10倍工频；同理不得高于固定开关频率的一半。

LCL谐振频率：

其中，Lg为网侧电感量，Lcon为变流器侧电感量，C为单相电容值。

1.2 總电感量Lg+Lcon上限

为保证网侧变流器四象限运行，总电感量存在上限。电感量上限为：

其中，Ug，I分别为相电压、相电流峰值，调制方式采用SVPWM。

1.3 无功限制

LCL中的电容C，直接从电网吸收无功功率。当网侧变流器处于满发状态时，电容C从电网吸收的无功与变流器满载有功的比值为：

其中，Cb为额定阻抗对应的额定电容。

为了维持变流器单位功率因数的工作状态，C所吸收的无功需要由网侧变流器进行补偿。因此只要叠加无功补偿电流后变流器侧满载电流不超过IGBT的容量，C可以超出通常2.5%～5%Cb范围的限制。现行的C能使（3）达到10%。

1.4 THD

THD定义为谐波总有效值与基波有效值之比。国家标准规定其数值不超过5%。THD的选择对于LCL参数的影响是决定性的。当THD放大1%时，电感量可以有一个明显的下降。

1.5 阻尼

阻尼用于抑制LCL谐振。LCL滤波优先选用有源阻尼。考虑到仿真模型的调试方便，本报告的仿真模型中采用无源阻尼抑制LCL谐振。阻尼的大小一般与谐振频率下的电容电抗为相同的数量级，仿真模型中选用1/3。

1.6 变流器侧电流纹波

在一般的LCL选型中，通常会根据变流器侧电流纹波来确定变流器侧的电感量，但二者之间的关系都是近似的。因此这里该参数优先级比较低，主要是在优化阶段进行针对性调整。

1.7 纹波抑制比

纹波抑制比是指变流器侧电感中的谐波电流经电容分流后，流经网侧电感中的谐波电流。该指标可以由LCL参数给出明确的推导，因此在设计中通常会作为一个已知来对LCL问题进行降维。

2 LCL的仿真

2.1 影响仿真结果的因数

仿真结果主要能提供如下信息：（1）系统稳定性；（2）谐波分布及THD；（3）功率因数。系统中能够影响上述参数的部

分，除了LCL外，主要就是控制环中的PI参数。

2.2 电流控制方法

为了简化调PI的过程，仿真中将网侧PWM的双环控制改为单环控制。具体做法是：直流侧直接由直流电压源供电，去掉电压外环只保留电流内环；电流内环中id由检测的网侧电压相位直接确定，iq用于补偿C所吸收的无功，定为0.1（per-unit）。

2.3 交叉解耦相

交叉解耦用于缩短暂态过渡时间以及增加系统稳定性。交叉解耦系数与滤波器中的电感量成正比，因此需要随设计的感量参数不断调整。

3 LCL参数设计与优化

现行LCL的设计参数分别如下：

Lg=54uH；C=55.7×4*3=668.4uF；Lcon=97uH；Ripper attenua

tion=8.9%；谐振频率1045Hz；额定条件下C上吸收无功占输出有功比值：10%；3KHz下增益：-26.2dB；THD=1.9%（实测）、1.68%（仿真）

仿真系统中交叉解耦系数为0.1（符合151uH的实际感量），实际中控制部分的交叉解耦系数对应的感量为500uH。当交叉解耦系数不符合实际感量时，相当于dq轴上分别增加了一个来自于qd轴分量的骚扰源，因此THD值会有所增大。

3.1 优化方向1

保持无功C，保证3KHz下的增益（优化前后高频特性基本不变），在500Hz～1.4KHz内调整谐振频率，使得Lcon+Lg最小。

从图1中的结果中看出，在满足谐振频率范围限制、无功C恒定以及3KHz以上高频增益基本恒定的条件下，现行LCL参数接近最优，最优值Lcon+Lg可以降到144.3uH（现行151uH）。加之考虑到网侧变流器纹波不宜太大，因此现行LCL参数接近最优值。

3.2 优化方向2

保持无功C不变，适当放开THD但满足国标要求（本文规定不超过3%），在500Hz～1.4KHz内调整谐振频率，使得Lcon+Lg能够尽量降低。

经过多次仿真验证，Lcon=80uH，Lg=40uH时，THD升至略低于3%（仿真结果为2.56%，考虑仿真与实际间误差因此需留有裕量）。

下面针对Lcon=80uH、Lg=40uH进行优化，即：维持无功C不变、保持3KHz下增益不变，将谐振频率在500Hz～1.4KHz下进行调整，使得Lcon+Lg进一步降低。具体做法同3.1中所列，这里只列出结果：图2右侧图表明，Lcon+Lg可以有进一步降低的可能性（最优值可再降5uH）。但考虑到变流器侧电流纹波不宜过大（否则会增加IGBT电流应力），80uH&40uH的组合比较可取，可以认为是这个THD等级的最优值。

3.3 优化方向3

在3.2的基础上，增加一组电容，以进一步降低电感总量；THD、谐振频率等参数基本保持不变。

增加一组电容后，单相电容值增至835.5uF。增加电容值一方面增加了LCL吸收的无功功率（此无功功率继续通过网侧变流器补偿，以维持单位功率因数），另一方面对于高频谐波降低了电容支路的阻抗。

3.2中的最優解（Lcon=80uH，Lg=40uH，C=668.4uF）在3KHz下增益为-21.62dB。保持此增益不变，有：

图3右图表明，当保持3.2中最优值的高频特性时，同时考虑变流器侧电感电流纹波要求，比较合理的取值是Lcon=70uH、Lg=35uH（较图3右图最低点高5uH）。

对比3.2与3.3中的仿真结果：将电容值增加一组（1/5）后，滤波电感总量可以降低15uH。从经济角度讲，此变换前后成本变化不大，但变流器侧纹波会较变换前有所增大。

参考文献：

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