4象限變頻器網側濾波器的設計與探討

孫紹慈，趙麗媛

（1.北京合康億盛變頻科技股份有限公司，北京100076；2.北京起重運輸機械設計研究院，北京100007）

4象限變頻器網側濾波器的設計與探討

孫紹慈1，趙麗媛2

（1.北京合康億盛變頻科技股份有限公司，北京100076；2.北京起重運輸機械設計研究院，北京100007）

網側濾波器是4象限變頻器能量雙向流動的關鍵，該濾波器的設計要考慮性能和成本的因素，在滿足性能要求的基礎上必須選擇合適的參數將網側濾波器性價比做到更優。使用諧波分析法設計L和LCL兩種網側濾波器，并比較2個濾波器在參數上的差異，得出LCL濾波器的成本優勢所在；再通過實驗驗證LCL濾波器性能上滿足要求，而且比L濾波器更優。從理論和實驗兩方面分析驗證了LCL濾波器設計的正確性和實用性。

4象限；能量回饋；濾波器

1 引言

變頻器加入能量回饋功能，可使能量雙向流動，有效地節約能源。能量回饋部分（因為回饋部分直接跟電網相接，以下稱為網側）實際上是一個PWM整流器，當電機處于電動狀態時，能量由電網傳到電機；當電機處于發電狀態時，能量通過PWM整流器反饋給電網。這樣，變頻器可以4象限運行。在4象限變頻器里，控制是核心，但網側濾波器是保證能量雙向流動的關鍵，關乎系統的穩定、響應速度和紋波電流大小，在設計變頻器的過程中，濾波器相對其他設備元器件也比較貴，因此優化濾波器，節約成本也是一個很重要課題。目前最成熟的濾波器是L濾波器，此外還有LC，LCL濾波器以及由此衍生一些濾波器。

2 L濾波器的設計

L濾波器為一階濾波器，設計簡單，性能穩定。L的設計要考慮形成矢量三角形、過零點電流跟蹤能力和電流的紋波抑制3方面的因素。在設計過程中，為了保證電流跟蹤的高速度和節約成本，一般選擇3個因素中一個的最小值。在這里，介紹一種根據電壓諧波理論設計電感的方式。

將網壓視為理想的50 Hz正弦波，認為其中不含諧波成分，令SVPWM輸出相電壓各階諧波幅值為U（n），按諧波標準規定，網側電流諧波幅值設為最大值I（n），則根據諧波法，設計電感為

諧波設計濾波器方法的難點是運算量大，適合計算機編程計算。以380 V/280 kW變頻器為例進行電抗器參數計算，將頻率定為3kHz。通過Matlab仿真得到兩電平SVPWM輸出相電壓各階諧波幅值為U（n），再進行FFT分析，仿真結果見圖1。

圖1 相電壓FFT分析結果Fig.1 Result of phase voltage FFT

通過FFT分析發現，在2 900 Hz左右，有20%的諧波含量。根據IEEE519標準對各次諧波含量的限定，見表1，在2 900 Hz（58次）諧波處電流的THD取0.3。進而計算得到的網側濾波電感值為1.89 mH，一般實取1.9～2 mH。

表1 IEEE519規定的電流畸變限值（120～69 000 V）Tab.1 Current distortion limits for general distribution systems in IEEE519（120 Through 69 000 V）

3 LCL濾波器的設計

用LCL濾波器代替L濾波器，可降低成本，減小體積，加快能量回饋動態響應。

LCL濾波器是一個3階的系統，由網側電感Lg，濾波電容Cf，整流器側電感L組成。比較L濾波器與LCL濾波器的幅頻響應可以發現，LCL濾波器高頻衰減快，并且存在諧振點。為了消除諧振點，比較簡單的方法是電容串聯電阻。圖2為變頻器電網側拓撲結構。

LCL濾波器從單相分析，等效電路見圖3。

類似于L濾波器的設計，LCL濾波器的設計亦是根據諧波法。加入Lg和Cf支路后，假定高頻諧波電流不通過網側電感Lg，Lg呈現高阻抗，此時諧波電流大部分流經低阻抗的電容支路，網側電流諧波只占電流諧波i的一部分。

圖2 變頻器電網側拓撲結構Fig.2 Topology of converter on grid

圖3 系統單相拓撲圖Fig.3 Topology of Single phase system

定義變量r，0＜r＜1，滿足|ig（n）|≤r|i（n）|，則變流器電感L計算公式可修正為

濾波電容的取值，根據網側采樣電流和電壓的位置不同而不同，將采樣電流定為i，采樣電壓定為ex。

為了保證較高的功率因數，必須保證濾波電容吸收的無功功率低于整流器額定功率的3%。近似認為濾波電容電壓等于電網電壓，則濾波電容吸收無功與整流器額定功率之比λ為

式中：EN為整流器交流額定電壓；PN為整流器額定功率；f0為電網頻率。

接下來設計網側電感Lg。對諧波來說，假定網側電壓源短路，網側電流ig（n）與變流器側電流i（n）之間的關系為

可見，在選定Cf之后，代入相應的角頻率nω和比例系數r，并取nω=2πfs，fs為開關頻率。

設計好濾波器電容電感參數后，進行諧振頻率的檢驗。認為網壓不含諧波成分，則由圖4可得變頻器側各階諧波阻抗表達式如下：

可見，LCL濾波器存在一個零阻抗諧振點，諧振頻率為

諧振點可引起并網電流畸變，甚至影響變頻器電網側的穩定性。為減小諧振點給系統帶來的危險，LCL參數的取值應使fres避開敏感頻段，如開關頻率fs及其倍數頻段2fs，3fs等?？紤]到fs/2以下頻率范圍內的諧波電壓幅值相對較小，因此一般將fres設計在fs/2以下。

現以380 V/280 kW變頻器為例，進行LCL濾波器設計：通過之前Matlab仿真得到SVPWM輸出相電壓各階諧波幅值為U（n），計算變頻器側電感L值。假設r取0.1，根據IEEE519標準諧波含量規范，計算得L=0.756 mH，實際可取0.75 mH。濾波電容按式（3）計算，開關頻率為fs=3 kHz，得到Cf=165.8 μF，實際可取150 μF。通過式（5）計算得到Lg=0.205 mH，實際可取0.2 mH。再考慮諧振點是否合適，通過式（7）計算得到 fres=1 034 Hz＜0.5fs，符合設計要求。

4 實驗分析及結論

搭建380 V/280 kW低壓變頻器，網側采用LCL濾波器，圖4是變頻器網側的試驗波形。

圖4 380 V/280 kW變頻器試驗波形Fig.4 Test waveforms of 380 V/280 kW converter

觀察A相電流，當A相電流大約600 A峰值時，與C相相電壓（中點通過3個小電容星接構造）相位差大約120°，說明功率因數接近1。再使用功率分析儀檢測電流的諧波含量（THD），見圖5。

圖5 電流THDFig.5 Current THD

可以看出，網側電流諧波含量為4.36%，小于5%，符合設計要求，驗證了LCL濾波器設計的正確性和可行性?，F將280 kW/380 V變頻器LCL濾波器，改成L濾波器，電抗器參數比之前計算的略小，根據現有條件，使用1.6 mH（比計算值略?。╇娍?。再進行同樣的實驗，檢測網側電流的諧波含量（THD），見圖6。

圖6 L濾波器變頻器網側電流THDFig.6 Current THD of converter with a L filter

實驗測得，如果使用L濾波器，網側電流總諧波含量為6.35%，比LCL濾波器效果要差一些。

本文介紹了諧波理論結合Matlab仿真設計網側濾波器的方法，并針對380 V/280 kW 4象限變頻器，分別設計L和LCL兩種網側濾波器，然后通過實驗數據進行比對，LCL濾波器的諧波性能比L濾波器更優，尤其在高頻抑制上，LCL濾波器有更好的衰減特性。再比較這兩種濾波器的電感量LCL濾波器在電感量上有明顯的優勢，僅為L濾波器的一半。如果再優化設計，可將LCL濾波器的總電感量降到L濾波器的三分之一。LCL濾波器雖然多了一個電容，但在濾波器整體設計上大大節約了成本，減小了整個系統的體積。因此，無論從理論分析、性能對比和節約成本來看，LCL濾波器具有更好的發展空間。為進一步提高系統的可靠性，可在LCL濾波器的電容支路里串入電阻，避免零阻抗的出現，亦可通過虛擬電阻或者其它控制方法，來抑制諧振點的危害。

［1］ 陳瑤.直驅型風力發電系統全功率并網變流技術的研究［D］.北京：北京交通大學，2008.

［2］ 張興，張崇巍，PWM整流器及其控制［M］.北京：機械工業出版社，2012.

Design and Discussion on Grid Side Filter of Four Quadrant Converter

SUN Shao-ci1，ZHAO Li-yuan2
（1.Beijing Hiconics，Drive Techndogy Co.，Ltd.，Beijing 100076，China；2.Beijing Materials Handling Research Institute，Beijing 100007，China）

The grid side filter is the key to a double-direction flow of energy in a four-quadrant converter，and two kinds of factors including performance and cost must be considered.Based on meeting the performance requirements we have to achieve the suitable parameters selection so as to make more value.Two grid side filters including L and LCL were designed through harmonic analysis，and compared the differences on the two filter parameters，the cost advantages of LCL filter was derived.Then the experiments show that performance of LCL filter meets the requirement and better than L filter.The correctness and practicability of the LCL filter design are verified through theory and experiments in this article.

four quadrants；energy feedback；filters

TN713

A

2013-12-05

修改稿日期：2014-02-10

孫紹慈（1985-），男，碩士研究生，助理工程師，Email：sunshaoci@163.com