大功率变频系统LCL滤波器研究

毛翔 刘鎏 朱建平 叶奇 韩剑波

摘 要随着变频系统功率的不断增大，对滤波器的滤波效果和体积要求越来越高。相比传统的L型滤波器，LCL滤波器对高次谐波抑制能力强，占用体积更小。本文对LCL滤波器参数设计进行了研究，并利用Matlab/Simulink建立模型，仿真结果验证了滤波器设计方法的有效性和可行性。

关键词LCL滤波器;参数设计;变频系统

0 引言

近年来，变频系统应用越来越广泛，包括新能源发电、电机拖动、轨道交通牵引等，功率也不断提升。在电能转换过程中，会产生大量的谐波，需要加装滤波器改善系统输出电能质量。常用的滤波器有L型、LC型、LCL型等。L型滤波器为一阶滤波器，其结构简单，通用性强。LCL滤波器为三阶滤波器，对高次谐波有着很强的抑制能力，其内部包含两个电感，在总电感量与L型滤波器相同时，其输出的电流谐波畸变率更小。图1为LCL型滤波器频率响应图，从图中可以看出，在低频段，下降斜率为-20，而在高频段，下降斜率迅速增加为-60。从频率响应图中还可以看出，在谐振点处，幅值会发生突变，将严重增加输出电流畸变，甚至可能破坏整个系统的稳定性，导致严重后果。因此，需要对LCL滤波器参数设计开展详细研究。

1 LCL滤波器限制条件

不同于一阶L滤波器的设计，三阶LCL滤波器没有直接的计算公式，需要在满足一定约束条件下，进行反复试取。同时，还要按照实际工程经验进行简化计算。

1.1 总电感约束条件

图2所示为风电变流器电网侧的矢量关系图。图中，E为电网侧的电压，VL为滤波器电感上的电压（总电感LL=Ll+Lg，Ll为变频器侧电感，Lg为电网侧电感），V为变频器侧的电压矢量，iL为流过滤波器电感的电流，Φ为电网侧电压与电流的夹角，cosΦ为电网侧的功率因素角。P为圆上任一点，P在圆周上的运动时，代表着变频器工作于不同的工况。

1.2 谐振频率约束条件

变频运行时产生的高次谐波为功率开关器件开关频率fsw的整数倍，为了防止设计的LCL滤波器产生谐振，谐振频率fres应不大于fsw，考虑到fsw/2附近谐波电压较小，因此，一般将fres的上限值设计为fsw/2。

fres的选取还应避开电网频率fn的整数倍，如2fn、3fn、……等。但需要设置下限值，否则將会影响系统的稳定性。谐波的幅值与谐波次数成反比例关系，10fn以后，谐波幅值变得很小，因此，一般将fres的下限值设计为10fn。

2 LCL滤波器参数设计

2.1 滤波电容参数设计

滤波电容Cf的设计一方面要考虑滤波效果，电容值取越大越好;另一方面，为了降低电容上消耗的无功功率，电容值需要进行限制。在工程应用上，电容上消耗的无功一般要求在风电变流器总的额定功率P的5%以内。于是有：

2.2 阻尼电阻参数设计

为了消除谐振，需要在风电变流器中加入阻尼，常用的有阻尼电阻和有源阻尼两种方法，前者计算复杂，后者简单可靠，在实际损耗允许的条件下，一般采用阻尼电阻方法。阻尼电阻越大，谐振抑制效果越明显，但较高的电阻值会增加系统有功损耗，工程上的取值公式为：

3 参数计算与建模仿真

利用LCL滤波器参数设计方法，开展仿真研究，建模对象为单机2.5MW的风电变流器。并网电压3.3kV，直流母线电压5000V，功率开关器件频率2.5kHz。

根据滤波器限制条件和反复迭代试取，计算出变流器侧电感值Ll=2.6mH，电网侧电感器Lg=0.65mH。

根据滤波器参数设计方法，计算出滤波电容Cf=33uF，阻尼电阻Rd=0.9Ω。

在Matlab/Simulink中建立风电变流器仿真模型，并按照上述参数建立LCL滤波器模型，利用FFT进行并网电流谐波分析，结果如图3所示。从谐波分析图中可以看出，在开关频率2500Hz整数倍的5000Hz、7500Hz、10000Hz处，高次谐波都得到了非常强的抑制，总电流谐波畸变率THD为1.09%，远小于并网要求的5%限定值。

4 结束语

本文针对LCL三阶滤波器设计进行了详细的介绍，包括参数选取约束条件和计算方法。并针对2.5MW风电变流器用LCL滤波器开展了仿真分析研究和计算，所选取的电感器、电容值和电阻值合理，滤波效果良好，为该滤波器设计方法在工程应用中的推广奠定了良好的理论基础。

参考文献

[1]毛翔.海上风力发电用多电平中压变流器的研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2013.

[2]孙伟.基于PWM整流器的LCL滤波技术研究[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文，2012.

[3]林渭勋.现代电力电子电路[M].2006.

[4]林飞.电力电子应用技术的Matlab仿真[M].2009.