CN105915033A

CN105915033A - 一种lcl滤波器无源谐振阻尼电路及其阻尼方法

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Publication number: CN105915033A
Application number: CN201610240549.7A
Authority: CN
Inventors: 吴维宁; 赵紫龙; 邵宜祥; 石磊; 过亮; 瞿兴鸿; 孙素娟; 张侃; 王瑞
Original assignee: Nari Technology Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Nari Technology Co Ltd; NARI Nanjing Control System Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2016-08-31

Abstract

本发明公开了一种LCL滤波器无源谐振阻尼电路及阻尼方法，包括LCL滤波器和LCR支路，所述LCL滤波器包括滤波电容C_f，所述LCR支路与所述滤波电容C_f并联；所述LCR支路包括阻尼电感L_z、阻尼电容C_z和阻尼电阻R_z，所述阻尼电感L_z、阻尼电容C_z和阻尼电阻R_z三者串联。本发明在谐振频率下LCR支路呈现纯电阻特性，为系统提供阻尼，抑制谐振；在电网基波频率下，阻尼单元呈现高容抗特性，流过电流较小，大大减小了阻尼电阻的基波损耗；实现了较小功率损耗下抑制滤波器谐振，且其并联安装形式不改变原滤波器电气节点，便于对已有LCL滤波器进行谐振抑制改造。

Description

一种LCL滤波器无源谐振阻尼电路及其阻尼方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及电压源型并网逆变器的出口滤波器。

背景技术

随着全控开关器件的迅速发展，新能源发电设备大量采用电压源型变换器(VSC，Voltage Source Converter)并网。VSC通常采用PWM方式实现并网电压和电流的控制，其原理是用幅值相等的脉冲波来等效正弦波形。为了减小入网谐波，需要在逆变器出口增加滤波器，目前广泛应用的是LCL或LC滤波器，记及电网等效阻抗，VSC的LC滤波器与电网构成的也是LCL拓扑。

LCL滤波器属于三阶滤波器，在高频段具有较强的谐波衰减能力，但同时也存在容易谐振的问题。为了抑制LCL滤波器的谐振特点，提高系统的稳定性，通常采用的方法是在滤波电容回路串联阻尼电阻。

然而，阻尼电阻的增加，一方面有可能会影响滤波性能，另一方面也会增加系统损耗，降低系统效率，尤其是在大功率场合，阻尼电阻发热严重。因此需要寻求附加损耗小的阻尼方法。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的LCL滤波器容易谐振的问题，本发明提供一种LCL滤波器无源谐振阻尼电路。

本发明还提供了一种LCL滤波器无源谐振阻尼方法。

技术方案：本发明所述的一种LCL滤波器无源谐振阻尼电路，包括LCL滤波器和LCR支路，所述LCL滤波器包括滤波电容C_f，所述LCR支路与所述滤波电容C_f并联；所述LCR支路包括阻尼电感L_z、阻尼电容C_z和阻尼电阻R_z，所述阻尼电感L_z、阻尼电容C_z和阻尼电阻R_z三者串联。

本发明所述的一种LCL滤波器无源谐振阻尼方法，该方法采用所述LCL滤波器无源谐振阻尼电路增加LCL滤波器的阻尼。

有益效果：相比较现有技术，本发明提供的一种LCL滤波器无源谐振阻尼电路，通过在滤波电容C_f上并联一个LRC支路，为LCL滤波器提供阻尼，有效抑制谐振；在增强系统稳定性的同时，只需增加较小的损耗，且成本很低；并联安装形式不改变原滤波器电气节点，便于对已有LCL滤波器进行谐振抑制改造。

本发明提供的一种LCL滤波器无源谐振阻尼方法，相比较传统的在滤波电容C_f上串联阻尼电阻R_f的方法而言，通过采用LCL滤波器无源谐振阻尼电路，可以有效抑制谐振，增强系统的稳定性；损耗小，成本低；并联安装形式不改变原滤波器电气节点，便于对已有LCL滤波器进行谐振抑制改造。

附图说明

图1为LCL滤波器拓扑图；

图2为采用传统串联阻尼电阻的LCL滤波器拓扑图；

图3为采用本发明无源谐振阻尼的LCL滤波器拓扑图；

图4为LCL滤波器采用不同阻尼方法的伯德图对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

如图1所示，LCL滤波器包括滤波电感L₁、滤波电感L₂和滤波电容C_f。所述滤波电感L₁的一端连接逆变器，另一端与滤波电感L₂的一端和滤波电容C_f的一端相连，滤波电感L₂的另一端连接电网，滤波电容C_f的另一端连接逆变器的另一端和电网的另一端。其传递函数见式(1)：

G_{L C L} (s) = \frac{i_{g} (s)}{u_{i} (s)} = \frac{1}{L_{1} L_{2} C_{f} s^{3} + (L_{1} + L_{2}) s} - - - (1)

画出的传递函数的伯德图，如图4中实线所示，从其幅频特性曲线可看出，系统存在一个谐振峰，其谐振频率见式(2)：

f_{r e s} (s) = \frac{1}{2 π \sqrt{\frac{L_{1} L_{2}}{L_{1} + L_{2}}} C_{f}} - - - (2)

如图2所示，现有技术采用传统的串联阻尼电阻R_f的方法抑制谐振在滤波电容C_f上串联一个阻尼电阻R_f，滤波器的传递函数变为式(3)：

G_{L C L_R} (s) = \frac{i_{g} (s)}{u_{i} (s)} = \frac{R_{f} C_{f} s + 1}{L_{1} L_{2} C_{f} s^{3} + R_{f} C_{f} (L_{1} + L_{2}) s^{2} + (L_{1} + L_{2}) s} - - - (3)

对应的伯德图如图4中虚线所示，从其幅频特性曲线可看出，谐振峰得到抑制，但高频段的衰减率与原LCL滤波器的-60dB/10倍频程相比有所下降。滤波电感L₁上流过的电流为i₁，滤波电感L₂上流过的电流为i_g，电路的输入电压为u_i,输出电压为u_g。所增加的阻尼电阻R_f流过的电流i_f主要包括基波电流i_f1和开关频率相关纹波电流i_fsw，由于阻尼电阻R_f很小，基波电流i_f1大小约等于电网电压除以滤波电容C_f容抗，开关频率相关纹波电流i_fsw有效值可按照与基本电流相等来评估。因此阻尼电阻R_f损耗约为：

P_{L C L_R} = i_{f}^{2} R_{f} = (i_{f 1}^{2} + i_{f s w}^{2}) R_{f} = 2 {(u_{g} \cdot 2 {πf}_{1} C_{f})}^{2} R_{f} = 8 π^{2} u_{g}^{2} C_{f}^{2} f_{1}^{2} R_{f} - - - (4)

如图3所示，LCL滤波器无源谐振阻尼电路是在LCL滤波器的滤波电容C_f上并联一个LCR支路。所述LCR支路与所述滤波电容C_f并联；所述LCR支路包括阻尼电感L_z、阻尼电容C_z和阻尼电阻R_z，所述阻尼电感L_z、阻尼电容C_z和阻尼电阻R_z三者串联。该种情况下，滤波器的传递函数为：

G_{L C L_L C R} (s) = \frac{i_{g} (s)}{u_{i} (s)} = \frac{L_{z} C_{z} s^{2} + R_{z} C_{z} s + 1}{\begin{matrix} [L_{1} L_{2} C_{f} L_{z} C_{z} s^{5} + L_{1} L_{2} C_{f} R_{z} C_{z} s^{4} + L_{1} L_{2} C_{f} s^{3} + L_{2} L_{z} C_{z} s^{3} + \\ L_{1} L_{z} C_{z} s^{3} + L_{1} L_{2} C_{z} s^{3} + R_{z} C_{z} (L_{1} + L_{2}) s^{2} + (L_{1} + L_{2}) s] \end{matrix}} - - - (5)

其中，阻尼电容C_z的容值远小于滤波电容C_f，一般认为阻尼电容C_z小于等于滤波电容C_f的十分之一。所述阻尼电感L_z与阻尼电容C_z构成串联谐振的谐振频率设计为原LCL滤波器谐振频率。阻尼电容C_z远小于LCL滤波回路的滤波电容C_f，所以流过该支路的基波电流很小，同时由于阻尼电感L_z的作用使得开关频率的纹波电流也基本不流入该支路。因此无源谐振阻尼支路的各元器件只需较小的额定电流，其带来的成本增加微乎其微。小电流也意味着小损耗，与传统的在滤波电容上串联阻尼电阻相比，本发明可大大降低无源阻尼带来的损耗。所述电阻R_z的阻值可以根据阻尼强度的需求进行调节。

如图4所示，加点线为LCL滤波器无源谐振阻尼电路对应的伯德图，从其幅频特性曲线可看出，谐振峰得到抑制，且高频段的衰减率保持-60dB/10倍频程，与原LCL滤波器一致，优于滤波电容串联阻尼电阻的传统方案。所增加无源谐振阻尼LCR支路中，阻尼电容C_z取LCL滤波电容C_f容值的1/10，阻尼电感L_z的取值见式(6)：

L_{Z} = {(\frac{1}{2 {πf}_{r e s}})}^{2} \frac{1}{C_{Z}} - - - (6)

当阻尼电阻R_z取30倍R_f时，其幅频特性曲线上谐振峰的衰减程度与传统串联阻尼电阻R_f时相一致。LRC支路上流过的电流为i_z，滤波电感L₁上流过的电流为i₁，滤波电感L₂上流过的电流为i_g，电路的输入电压为u_i,输出电压为u_g。无源谐振阻尼支路流过的主要是基波电流，其大小取决阻尼电容C_z，开关频率谐波由于阻尼电感L_z的作用基本不流入该支路。因此无源谐振阻尼产生的损耗约为：

P_{L C L_L C R} = i_{Z}^{2} R_{Z} = {(u_{g} \cdot 2 {πf}_{1} c_{Z})}^{2} R_{Z} = 1.2 π^{2} u_{g}^{2} C_{f}^{2} f_{1}^{2} R_{f} = P_{L C L_R} \cdot 15 % - - - (7)

由图4的三条频率特性曲线对比可见，本发明的效果优于滤波电容串联阻尼电阻的传统方案。本发明在谐振频率下LCR支路呈现纯电阻特性，为系统提供阻尼，抑制谐振；在电网基波频率下，阻尼单元呈现高容抗特性，流过电流较小，大大减小了阻尼电阻的基波损耗，在保持同样阻尼效果的前提下，损耗只有传统方法的15％，对于降低设备损耗，提高设备效率，提高系统稳定性具有重要意义；实现了较小功率损耗下抑制滤波器谐振，且其并联安装形式不改变原滤波器电气节点，便于对已有LCL滤波器进行谐振抑制改造。

以上通过实例描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业技术人员可根据本发明公开的内容进行多种实施方式，在不脱离本发明原理和范围的前提下进行的各种变化和改进都属于本发明保护范围，例如可应用于三相并网变流器滤波回路的谐振抑制，即LCL滤波器可以是单相的，也可以是三相的。

Claims

1.一种LCL滤波器无源谐振阻尼电路，其特征在于，包括LCL滤波器和LCR支路，所述LCL滤波器包括滤波电容C_f，所述LCR支路与所述滤波电容C_f并联；所述LCR支路包括阻尼电感L_z、阻尼电容C_z和阻尼电阻R_z，所述阻尼电感L_z、阻尼电容C_z和阻尼电阻R_z三者串联。

2.根据权利要求1所述的LCL滤波器无源谐振阻尼电路，其特征在于，所述阻尼电容C_z的容值小于等于滤波电容C_f的十分之一。

3.根据权利要求1或2所述的LCL滤波器无源谐振阻尼电路，其特征在于，所述阻尼电感L_z与阻尼电容C_z构成串联谐振的谐振频率为LCL滤波器的谐振频率f_res。

4.根据权利要求3所述的LCL滤波器无源谐振阻尼电路，其特征在于，所述阻尼电容C_z的值为滤波电容C_f的十分之一；所述阻尼电感L_z的值取

5.根据权利要求1或2所述的LCL滤波器无源谐振阻尼电路，其特征在于，所述阻尼电阻R_z的阻值可以根据需求进行调节。

6.根据权利要求1或2所述的LCL滤波器无源谐振阻尼电路，其特征在于，所述LCL滤波器为单相LCL滤波器或三相LCL滤波器。

7.根据权利要求1或2所述的LCL滤波器无源谐振阻尼电路，其特征在于，所述LCL滤波器还包括滤波电感L₁和滤波电感L₂，所述滤波电感L₁的一端连接逆变器，另一端与滤波电感L₂的一端和滤波电容C_f的一端相连，滤波电感L₂的另一端连接电网，滤波电容C_f的另一端连接逆变器的另一端和电网的另一端。

8.一种使用权利要求1至7中任一项所述LCL滤波器无源谐振阻尼电路的阻尼方法，其特征在于，采用了其中的LCR支路增加LCL滤波器的阻尼。