LCL有源濾波主電路設計研究

史成方

摘要： 隨著開關器件在變流器中的大量應用，對電網造成了很大的諧波污染，為了減少污染，為了加快諧波的衰減，就在變流器和電網之間利用LCL濾波器來減小諧波產生的危害。本文分析建立了有源濾波電路的數學模型，提出了LCL濾波電路濾波，并指出了它比傳統濾波的優點，分別對電路中的電感電容進行了詳細的參數設置。

關鍵詞：濾波器，有源電力濾波（APF），諧波污染

1.1 傳統濾波器的簡介

傳統濾波器電路結構主要有三種[2]，分別為：四橋臂形式、電容中點形式以及三個單相全橋形式。其中電容中點式結構的電路是很簡單的，由于采用的開關個數比較少，相對來說利用率就比較高，但是電路的特殊結構限制了它在較大的功率系統中的應用。

相對來說，三相有源濾波需要的開關最多，電路可以根據實際的需要進行有效的組合，但在實際應用的時候，輸入直流端側就會產生大量諧波，電壓波動較大。三個相互獨立的單相APF組成的三相有源電力濾波器的系統主要應用于小功率系統。

1.2 有源電力濾波電路結構

為了盡量克服傳統濾波器的缺點，降低電流的諧波，我們設計電路的時候在逆變器的交流側接入LCL濾波器，它跟獨立的電感濾波相比，在抑制諧波的時候不需要太高的電感值，同時在開關頻率很高的場合抑制諧波的性能也會變得更強，LCL濾波器無論是在經濟上還是性能上都比電感濾波器強。在頻率不高的光伏發電系統中，有著更多的優點。

1.2.1 LCL濾波電路結構

我們設計的電感電容電感型濾波器，它的主電路結構如圖1所示，在星型連接的電容之間是兩個不同的電感L和L1。逆變器是由全控器件組成的三相橋式逆變結構，L1起著能量傳遞和濾波的作用，電感L和電容Cf僅僅起著濾波的作用。

為了方便研究，我們選取三相電路中的一相進行分析，

由基爾霍夫定律可以得出下列方程：

（l）

1.2.2 數學模型

R與R1為電路中的等效的電阻抗。建立單相數學模型如圖2所示：

R與R1代表電感的等效電阻，在計算的時候其阻值一般不在我們考慮的范圍內，由此可以得出輸入輸出的函數關系式： （2）

如果是純電感濾波器函數表達式為：

（3）

我們對比兩式可以看出，在兩種濾波器下，如果頻率ω0取值比較小的時候，G1（s）、G2（s）的值是基本無差別的。但是隨著ω0取值增大，G2（s）比G1（s）對諧波的抑制要差很多，由此可以看出在相同的負載下，頻率較大的時候，電感電容電感的濾波效果比純電感的好。

1.3 有源電力濾波器參數的設置

在設計濾波器的時候，滿足抑制諧波的同時還要以提高功率因數和控制輸出電路為最終目的，還要防止電路產生不必要的諧振。我們以三相對稱的一相為研究目標建立等效電路結構。我們在研究分析的時候通常是把電網的電壓等效為理想的，那么其中就只有基波分量，高次的諧波不存在，這樣就等價為電網電壓短路了，電路結構如圖3所示。

圖3 電路短路等效電路

1.3.1 電容的參數設置

我們知道功率因數為：

（4）

有式子（5）可知，電容無功功率為QCF1，而系統的輸出額定功率是Poe在計算數值的時候我們會假定一個cosφ值，我們取值為cosφ=0.995，我們就由頻率計算出電容的參數值：

（5）

1.3.2 電感L2的參數設置

在我們建立的數學模型中流過兩個電感的不同電流的比值，我們得出電流表達式：

I11（h）=I21（h）+jωhCF1UC1（h） （6）

在上式中，ωh=ωb*h。 為了降低抑制諧波造成電網的污染，3≤|■|，由此可以得出式（6）成立的條件：

（7）

對于并網的有效值電壓考慮電壓裕量我們取1.1，由于輸出的功率是一樣的，由P=UI知道電壓與電流成反比，在這種情況下，電感的值是最小的。

1.3.3 電感L1的參數設置

按照諧波標準規定[4]：

諧波的次數一般在23到35之間，此時電流為：I21（h）=0.006Iea；于是h>35的時候，電網的輸入電流 I21（h）=0.003Iea。對于逆變器的電流頻率跟開關器件的選擇及其本身的特性有關，我們在設計電感的時候，主要針對h>35的諧波，在確定了電感各輸出端的電感后，我們就參考電感的最大值即： 此時：

（8）

輸入電壓的頻率在開關頻率的一半以下，為了防止電路發生諧振，我們就應該使頻率的值定在：

（9）

得出每個值的參數后，由（9）為基準，我們驗證電路中的阻抗諧振點低于開關頻率的一半。我們取基波頻率為工頻，得出L1=400uH，L2=250uH，電容為10uF。

小結：我們對傳統濾波器和有源電力濾波器做了分析對比，提出了一種新的有源電力濾波方式LCL濾波，同時對電路中的電感電容的參數進行了設置。得出了電路的等效結構和輸入輸出的函數關系式，在對電感電容的值進行設置的時候，主要以并網發電的需求為目標進行考慮的，最后的參數值還考慮了諧振。

參考文獻：

[1] 王兆安，楊君，劉進軍等.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業出版社，

2006.78-90

[2] 姜齊榮，趙東元，陳建業.有源電力濾波器[M].科學出版社，2005.90-95

[3] 沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].化學工業出版社，2005.35-40

[4] 葉 穎.三相光伏并網逆變電源的研制[D].山東大學，2008.134-142