4象限变频器网侧滤波器的设计与探讨

电气传动2014年第44卷第8期4象限变频器网侧滤波器的设计与探讨孙绍慈1，赵丽媛2（1.北京合康亿盛变频科技股份有限公司，北京100076；2.北京起重运输机械设计研究院，北京100007）摘要：网侧滤波器是4象限变频器能量双向流动的关键，该滤波器的设计要考虑性能和成本的因素，在满足性能要求的基础上必须选择合适的参数将网侧滤波器性价比做到更优。使用谐波分析法设计L和LCL两种网侧滤波器，并比较2个滤波器在参数上的差异，得出LCL滤波器的成本优势所在；再通过实验验证LCL滤波器性能上满足要求，而且比L滤波器更优。从理论和实验两方面分析验证了LCL滤波器设计的正确性和实用性。关键词：4象限；能量回馈；滤波器中图分类号：TN713文献标识码：ADesignandDiscussiononGridSideFilterofFourQuadrantConverterSUNShao⁃ci1，ZHAOLi⁃yuan2（1.BeijingHiconics，DriveTechndogyCo.，Ltd.，Beijing100076，China；2.BeijingMaterialsHandlingResearchInstitute，Beijing100007，China）Abstract:Thegridsidefilteristhekeytoadouble⁃directionflowofenergyinafour⁃quadrantconverter，andtwokindsoffactorsincludingperformanceandcostmustbeconsidered.Basedonmeetingtheperformancerequirementswehavetoachievethesuitableparametersselectionsoastomakemorevalue.TwogridsidefiltersincludingLandLCLweredesignedthroughharmonicanalysis，andcomparedthedifferencesonthetwofilterparameters，thecostadvantagesofLCLfilterwasderived.ThentheexperimentsshowthatperformanceofLCLfiltermeetstherequirementandbetterthanLfilter.ThecorrectnessandpracticabilityoftheLCLfilterdesignareverifiedthroughtheoryandexperimentsinthisarticle.Keywords:fourquadrants；energyfeedback；filters作者简介：孙绍慈（1985-），男，硕士研究生，助理工程师，Email：[e-mail]1引言变频器加入能量回馈功能，可使能量双向流动，有效地节约能源。能量回馈部分（因为回馈部分直接跟电网相接，以下称为网侧）实际上是一个PWM整流器，当电机处于电动状态时，能量由电网传到电机；当电机处于发电状态时，能量通过PWM整流器反馈给电网。这样，变频器可以4象限运行。在4象限变频器里，控制是核心，但网侧滤波器是保证能量双向流动的关键，关乎系统的稳定、响应速度和纹波电流大小，在设计变频器的过程中，滤波器相对其他设备元器件也比较贵，因此优化滤波器，节约成本也是一个很重要课题。目前最成熟的滤波器是L滤波器，此外还有LC，LCL滤波器以及由此衍生一些滤波器。2L滤波器的设计L滤波器为一阶滤波器，设计简单，性能稳定。L的设计要考虑形成矢量三角形、过零点电流跟踪能力和电流的纹波抑制3方面的因素。在设计过程中，为了保证电流跟踪的高速度和节约成本，一般选择3个因素中一个的最小值。在这里，介绍一种根据电压谐波理论设计电感的方式。将网压视为理想的50Hz正弦波，认为其中不含谐波成分，令SVPWM输出相电压各阶谐波幅值为U（n），按谐波标准规定，网侧电流谐波幅ELECTRICDRIVE2014Vol.44No.831电气传动2014年第44卷第8期值设为最大值I（n），则根据谐波法，设计电感为L≥maxU(n)nωI(n)n=234（1）谐波设计滤波器方法的难点是运算量大，适合计算机编程计算。以380V/280kW变频器为例进行电抗器参数计算，将频率定为3kHz。通过Mat-lab仿真得到两电平SVPWM输出相电压各阶谐波幅值为U（n），再进行FFT分析，仿真结果见图1。通过FFT分析发现，在2900Hz左右，有20%的谐波含量。根据IEEE519标准对各次谐波含量的限定，见表1，在2900Hz（58次）谐波处电流的THD取0.3。进而计算得到的网侧滤波电感值为1.89mH，一般实取1.9~2mH。3LCL滤波器的设计用LCL滤波器代替L滤波器，可降低成本，减小体积，加快能量回馈动态响应。LCL滤波器是一个3阶的系统，由网侧电感Lg，滤波电容Cf，整流器侧电感L组成。比较L滤波器与LCL滤波器的幅频响应可以发现，LCL滤波器高频衰减快，并且存在谐振点。为了消除谐振点，比较简单的方法是电容串联电阻。图2为变频器电网侧拓扑结构。LCL滤波器从单相分析，等效电路见图3。类似于L滤波器的设计，LCL滤波器的设计亦是根据谐波法。加入Lg和Cf支路后，假定高频谐波电流不通过网侧电感Lg，Lg呈现高阻抗，此时谐波电流大部分流经低阻抗的电容支路，网侧电流谐波只占电流谐波i的一部分。定义变量r，0r1，满足|ig（n）|≤r|i（n）|，则变流器电感L计算公式可修正为L≥rmaxU(n)nωI(n)n=234（2）滤波电容的取值，根据网侧采样电流和电压的位置不同而不同，将采样电流定为i，采样电压定为ex。为了保证较高的功率因数，必须保证滤波电容吸收的无功功率低于整流器额定功率的3%。近似认为滤波电容电压等于电网电压，则滤波电容吸收无功与整流器额定功率之比λ为λ≥(2πf0EN2Cf/PN)（3）式中：EN为整流器交流额定电压；PN为整流器额定功率；f0为电网频率。接下来设计网侧电感Lg。对谐波来说，假定网侧电压源短路，网侧电流ig（n）与变流器侧电流i（n）之间的关系为ig(n)=i(n)/(1-ω2LgCf)（4）一般认为|ig(n)|≤r|i（n）|，代入上式，则有1/|1-(nω)2LgCf|≤r（5）可见，在选定Cf之后，代入相应的角频率nω和比例系数r，并取nω=2πfs，fs为开关频率。设计好滤波器电容电感参数后，进行谐振频率的检验。认为网压不含谐波成分，则由图4可得变频器侧各阶谐波阻抗表达式如下：ZLCL(n)=u(n)i(n)=jnωL+[(jnωLg1jnωCf)/(jnωLg+1jnωCf)]=jnωL+Lg-(nω)2LLgCf1-(nω)2LgCfn≥2可见，LCL滤波器存在一个零阻抗谐振点，谐振图1相电压FFT分析结果Fig.1ResultofphasevoltageFFT表1IEEE519规定的电流畸变限值（120~69000V）Tab.1CurrentdistortionlimitsforgeneraldistributionsystemsinIEEE519（120Through69000V）ISC/IL2020~5050~100100~10001000h114.07.010121511≤h172.03.54.55.57.017≤h231.52.54.05.06.023≤h350.61.01.52.02.5h≥350.30.50.71.014THD/%58121520注：ISC是公共连接点的最大短路电流，IL是公共连接点的15~30min最大基频负荷电流，THD是总畸变率。图3系统单相拓扑图Fig.3TopologyofSinglephasesystem图2变频器电网侧拓扑结构Fig.2Topologyofconverterongrid孙绍慈，等：4象限变频器网侧滤波器的设计与探讨（6）32电气传动2014年第44卷第8期频率为fres=12π(Lg+L)/(LLgCf)（7）谐振点可引起并网电流畸变，甚至影响变频器电网侧的稳定性。为减小谐振点给系统带来的危险，LCL参数的取值应使fres避开敏感频段，如开关频率fs及其倍数频段2fs，3fs等。考虑到fs/2以下频率范围内的谐波电压幅值相对较小，因此一般将fres设计在fs/2以下。现以380V/280kW变频器为例，进行LCL滤波器设计：通过之前Matlab仿真得到SVP-WM输出相电压各阶谐波幅值为U（n），计算变频器侧电感L值。假设r取0.1，根据IEEE519标准谐波含量规范，计算得L=0.756mH，实际可取0.75mH。滤波电容按式（3）计算，开关频率为fs=3kHz，得到Cf=165.8μF，实际可取150μF。通过式（5）计算得到Lg=0.205mH，实际可取0.2mH。再考虑谐振点是否合适，通过式（7）计算得到fres=1034Hz0.5fs，符合设计要求。4实验分析及结论搭建380V/280kW低压变频器，网侧采用LCL滤波器，图4是变频器网侧的试验波形。观察A相电流，当A相电流大约600A峰值时，与C相相电压（中点通过3个小电容星接构造）相位差大约120°，说明功率因数接近1。再使用功率分析仪检测电流的谐波含量（THD），见图5。可以看出，网侧电流谐波含量为4.36%，小于5%，符合设计要求，验证了LCL滤波器设计的正确性和可行性。现将280kW/380V变频器LCL滤波器，改成L滤波器，电抗器参数比之前计算的略小，根据现有条件，使用1.6mH（比计算值略小）电抗。再进行同样的实验，检测网侧电流的谐波含量（THD），见图6。实验测得，如果使用L滤波器，网侧电流总谐波含量为6.35%，比LCL滤波器效果要差一些。本文介绍了谐波理论结合Matlab仿真设计网侧滤波器的方法，并针对380V/280kW4象限变频器，分别设计L和LCL两种网侧滤波器，然后通过实验数据进行比对，LCL滤波器的谐波性能比L滤波器更优，尤其在高频抑制上，LCL滤波器有更好的衰减特性。再比较这两种滤波器的电感量LCL滤波器在电感量上有明显的优势，仅为L滤波器的一半。如果再优化设计，可将LCL滤波器的总电感量降到L滤波器的三分之一。LCL滤波器虽然多了一个电容，但在滤波器整体设计上大大节约了成本，减小了整个系统的体积。因此，无论从理论分析、性能对比和节约成本来看，LCL滤波器具有更好的发展空间。为进一步提高系统的可靠性，可在LCL滤波器的电容支路里串入电阻，避免零阻抗的出现，亦可通过虚拟电阻或者其它控制方法，来抑制谐振点的危害。参考文献［1］陈瑶.直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究［D］.北京：北京交通大学，2008.［2］张兴，张崇巍，PWM整流器及其控制［M］.北京：机械工业出版社，2012.图4380V/280kW变频器试验波形Fig.4Testwaveformsof380V/280kWconverter图5电流THDFig.5CurrentTHD孙绍慈，等：4象限变频器网侧滤波器的设计与探讨图6L滤波器变频器网侧电流THDFig.6CurrentTHDofconverterwithaLfilter收稿日期：2013-12-05修改稿日期：2014-02-1033