CN105958809A - 带有耦合电感的滤波器及其参数确定方法 - Google Patents

带有耦合电感的滤波器及其参数确定方法 Download PDF

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陈乾宏
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Abstract

本发明公开了带有耦合电感的滤波器及其参数确定方法，属于电力电子装置的技术领域。滤波器包括主功率支路电感、并联支路电感和滤波电容。主功率支路电感和并联支路电感反向耦合，使得主功率电流回路中增加了一个等效耦合电感，再通过在并联支路中串接抵消阻抗的方式使并联支路的等效感值之和为0，则本滤波器与主功率电流回路串有2个电感的常规LCL滤波器有相同的滤波效果。本发明的主功率电流回路只需一个电感，所需主功率电流回路较粗的绕线较少，同时，并联支路电流较小，并联支路电感所需绕线较细，所以相比常规LCL滤波器，有效减小了磁件体积。

Description

带有耦合电感的滤波器及其参数确定方法
技术领域
本发明公开了带有耦合电感的滤波器及其参数确定方法，属于电力电子装置的技术领域。
背景技术
传统PWM整流器或并网逆变器为了减小网侧电流谐波，常在主功率电流回路中串联单电感滤波。网侧电流谐波包含开关频率及其倍数处的高频谐波，而单电感滤波器对高频谐波的衰减特性不够理想，需要较大的电感量以满足谐波畸变率的限制要求。
文献<Jalili K，Bernet S.Design of LCL filter of active-front-end two-levelvoltage-source converters>([J].IEEE Trans.on Industrial Electronics，2009，56(5)：1674-1684.)指出，LCL滤波器具有更好的高频滤波效果。LCL滤波器的主功率电流回路中串联两个电感，电感中间并联一个滤波电容，是一种高阶滤波器。如图1，LCL滤波器在低频段的幅频特性曲线与L滤波器相似，以-20dB的斜率下降。在谐振点之后，LCL滤波器的幅频特性曲线以-60dB的斜率下降。通常将LCL滤波器谐振点设在开关频率之前，使得LCL滤波器对高频谐波的滤波效果优于单电感滤波器。因此，在达到相同的滤波效果时，LCL滤波器所需总感量小于单电感滤波器，这有利于减小磁件体积，降低成本。
LCL滤波器的主功率电流回路中串联了两个电感，若采用分立磁件制作电感，则磁芯数量较多，体积较大。据统计，磁件的重量一般占整个装置总重的30～40％，体积则占总体积的20～30％，而对于高频、模块化设计的电源，磁件重量、体积所占的比例还要更高。人们通常采用提高频率的方法减小磁件及系统的体积、重量，但提高频率会增大功率器件的开关损耗，影响系统效率。因此，研发人员还研究应用磁集成技术，在不改变频率的条件下，继续优化磁件的性能。
所谓磁集成技术，是指将两个或多个分立磁件绕制在一副磁芯上，从结构上集中在一起。分立磁件集中后的磁件被称为集成磁件。磁集成技术能有效减小磁件的重量、体积以及损耗，提高功率密度。在某些场合，若设计得当，还能减小电流纹波，甚至实现零纹波。
根据集成后各磁件之间是否存在耦合，可以将磁集成分为解耦集成和耦合集成两类。采用解耦磁集成时，各磁件的绕组所交链的磁通是相互独立的，集成后各磁件仍然保持着与原分立磁件相同的特性。采用耦合集成时，各磁件的绕组所交链的磁通之间存在一定的耦合，因而原分立磁件的特性有所改变。在某些特定场合，耦合磁集成可以提高变换器的稳态或动态性能。
现有文献大多对LCL滤波器主功率电流回路串联的两个电感进行了研究，如华中科技大学2012年发表的文章《并网逆变器中LCL滤波器的磁集成》(潘冬华，阮新波，王学华，鲍陈磊，李巍巍，并网逆变器中的LCL滤波器的磁集成[J].中国电机学报，2012)，分析了LCL滤波器的两电感耦合对滤波性能的影响，指出耦合集成削弱了高频滤波性能，应选用解耦集成方案，并据此提出了LCL滤波器中两电感顺向串联解耦集成的方案。由于绕组顺向串联，两电感在低磁阻公共磁路中产生的磁通相互抵消，减少了用铁量，达到减小电感体积、重量的效果。
南京航空航天大学2014年发表的文章《三相交流电路中滤波电感磁集成技术的研究》(刘航，陈乾宏，三相交流电路中滤波电感磁集成技术的研究，第八届全国高校电力电子与电力传动学术年会，武汉，2014)，研究了LCL滤波器主功率回路中两电感的耦合集成方法，建立了采用不同耦合集成方式的单相LCL滤波电路的等效电路模型。对于同向耦合电感，在并联支路中有等效负感，需要串入正电感抵消；对于反向耦合，需要合理调整谐振点，将滤波优势区间置于高谐波含量处。文章提出的电感集成方法，在保证耦合电感滤波器滤波效果的条件下，达到减小电感体积、重量的目的。
如何进一步探讨电感集成，研究新的采用耦合电感的滤波器结构，在保证滤波效果的条件下减小磁芯体积，是一个值得思考的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种带有耦合电感的滤波器及其参数确定方法，利用耦合电感，设计了一种新的滤波器结构，相比常规LCL滤波器，减少了主功率回路上的电感数，保证滤波效果的条件下减小磁件体积。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
带有耦合电感的滤波器，包括：仅包含有第一电感的主功率支路，第二电感和滤波电容以及抵消阻抗串联组成的并联支路，主功率支路和并联支路组成二端口网络，所述二端口网络中任一端口接交流电压源时另一端口接整流电路或逆变电路。
第一电感的第一端子与第二电感一端连接，第二电感另一端与抵消阻抗一端连接，抵消阻抗另一端与滤波电容的一极连接，第一电感的第二端子与滤波电容的另一极构成所述二端口网络的一个端口，第一电感和第二电感的连接点与滤波电容的另一极构成所述二端口网络的另一个端口，第一电感与第二电感反向耦合。
进一步的，所述带有耦合电感的滤波器中的抵消阻抗为单电感或单电容或电感电容串并联组合，在宽频率范围下采用单电感作为抵消电感。
进的一步的，所述带有耦合电感的滤波器还包括阻尼电阻，阻尼电阻串接在并联支路中或者并联在滤波电容的两极之间。
进一步的，所述带有耦合电感的滤波器中，第一电感与第二电感的磁芯为硅钢片或铁氧体或微晶或超微晶或坡莫合金或铁钴钒材质的磁芯。
进一步的，所述带有耦合电感的滤波器中，第一电感与第二电感的绕组为实心导线或者Litz线或者铜皮或者PCB绕制而成的绕组。
所述带有耦合电感的滤波器的参数确定方法，采用互感消去法得到所述带有耦合电感的滤波器的等效电路，调节第一电感和第二电感的感值及耦合系数使得并联支路上等效电感值非正，在并联支路中串接使得并联支路上等效感值之和为0的抵消阻抗，以使所述带有耦合电感的滤波器等效为常规LCL滤波器。
作为所述带有耦合电感的滤波器的参数确定方法的进一步优化方案，所述调节第一电感和第二电感的感值及耦合系数使得并联支路上等效电感值非正，具体为：调节耦合系数为1，并调节第一电感的感值大于第二电感的感值。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)主功率支路电感与并联支路电感反向耦合，使得主功率电流回路中增加了一个等效耦合电感，再通过在并联支路中串接抵消阻抗的方式使并联支路的等效感值之和为0，则本滤波器与主功率电流回路串有2个电感的常规LCL滤波器有相同的滤波效果。
(2)本发明的主功率电流回路只需一个电感，所需主功率电流回路较粗的绕线较少，同时，并联支路电流较小，并联支路电感所需绕线较细，所以相比常规LCL滤波器，有效减小了磁件体积。
附图说明
图1是LCL滤波器与单电感滤波器幅频曲线对比；
图2是常规LCL滤波器通用电路结构；
图3是常规LCL滤波器低频等效电路；
图4是常规LCL滤波器高频等效电路；
图5是LCL滤波器仿真实验波形；
图6是本发明的带有反向耦合电感的滤波器a的电路图；
图7是本发明的带有反向耦合电感的滤波器a采用互感消去法得到的等效电路；
图8是LCL滤波器电感实物测量幅频曲线；
图9是本发明的带有反向耦合电感的滤波器a的电感实物测量幅频曲线；
图10是本发明的带有反向耦合电感的滤波器b的电路图；
图11是本发明的带有反向耦合电感的滤波器b采用互感消去法得到的等效电路；
图12是本发明的带有反向耦合电感的滤波器a在单相逆变电路中的应用实例；
图13是常规LCL滤波器的仿真波形和电流频谱；
图14是在本发明的带有反向耦合电感的滤波器a中的抵消电感完全抵消掉并联支路等效负感后的仿真波形和电流频谱；
图15是n相带有耦合电感的滤波器示意图。
图中标号说明：Ug为交流电压源，Ur为整流或逆变侧等效电压源，La为主功率支路电感，Lb为并联支路电感，M为主功率支路电感与并联支路电感的互感，Cf为滤波电容，R为阻尼电阻，Ladd为抵消电感，n表示n个滤波器，S1～S4为开关管，D1～D4为反向二极管，C1～C4为寄生电容。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
常规的LCL滤波器如图2所示，主功率支路上串接有电感L1和电感L2，并联支路有串接的滤波电容Cf和阻尼电阻R组成。二端口网络的1号端子和2号端子之间接交流电压源Ug，二端口网络的3号端子和4号端子之间接整流/逆变电路，整流或逆变侧等效电压源为Ur。图2所示常规LCL滤波器低频时的等效电路如图3所示，滤波电容阻抗较大，并联支路近似开路，此时LCL滤波器等效为电感L1和电感L2串联组成的单电感滤波器；图1所示常规LCL滤波器高频时的等效电路如图4所示，滤波电容阻抗变小，高频谐波主要被并联支路旁路，故对高频谐波的滤波能力较强。
如图5所示，由LCL滤波器的仿真实验波形可知，主功率电流回路上的流经电感L1和电感L2的电流I1和I2大小相似，而并联支路电流Ic约为I2的2.2％，远小于主功率电流回路的电流。
本发明没有采用传统的使LCL滤波器主功率电流回路上两电感解耦或耦合集成的方法，而是将主功率电流回路的电感数减为一个。主功率支路电感与并联支路电感反向耦合，使得主功率电流回路中增加了一个等效耦合电感，再通过在并联支路中串接抵消阻抗的方式使并联支路的等效感值之和为0，则本滤波器与主功率电流回路串有2个电感的常规LCL滤波器有相同的滤波效果。
本发明的主功率电流回路只需一个电感，所需主功率电流回路较粗的绕线较少，同时，并联支路电流较小，并联支路电感所需绕线较细，所以相比常规LCL滤波器，有效减小了磁件体积。
针对本发明提出的带有耦合电感的滤波器及参数确定方法，本文给出了仿真实验，并制作了实物，验证了本申请设计的滤波器是可行的。
具体实施例一
如图6所示的带有反向耦合电感的滤波器a，包括：反向耦合的主功率支路电感La(即为权利要求中的第一电感)和并联支路电感Lb(即为权利要求中的第二电感)、滤波电容Cf以及抵消电感Ladd，并联支路电感Lb、抵消电感Ladd、滤波电容Cf串联组成并联支路，二端口网络的1号端子和2号端子之间接交流电压源Ug，二端口网络的3号端子和4号端子之间接整流/逆变电路，整流或逆变侧等效电压源为Ur。并联支路中串接的阻尼电阻R用于抑制LCL滤波器的谐振尖峰，有益于系统的稳定，阻尼电阻R也可以并接在滤波电容Cf两极之间。
采用互感消去法得到图6的等效电路如图7所示，主功率支路电感La和并联支路电感Lb等效为串联在主功率支路上的La-M和M以及串联在并联支路上的Lb-M，M为主功率支路电感La和并联支路电感Lb的互感。调节主功率支路电感La的感值、并联支路电感Lb的感值、主功率支路电感La和并联支路电感Lb的耦合系数k，使得并联支路上等效电感值Lb-M为非正值，再在并联支路中串接使得并联支路上感值之和为0的抵消电感Ladd，则滤波器a可以等效为常规LCL滤波器，具有与常规LCL滤波器相同的滤波效果。本发明的主功率电流回路只需一个电感，所需主功率电流回路较粗的绕线较少，同时，并联支路电流较小，并联支路电感及抵消电感所需绕线较细，所以相比常规LCL滤波器，有效减小了磁件体积。
图12为图6所示滤波器a的一个在单相逆变器中的应用实例。输入直流电压400V，输出交流电压220V，输出功率1.2kW，开关频率24kHz。逆变电路包括开关管S1～S4，开关管漏极和源极之间都接有反向二极管D1～D4和寄生电容C1～C4，主功率支路电感La＝4.8mH，并联支路电感Lb＝0.56mH，耦合系数k＝1，抵消电感Ladd＝1.08mH，滤波电容Cf＝4.4uF，阻尼电阻R＝0.47Ω。
图13为单相逆变电路中采用常规LCL滤波器的仿真结果，从电流频谱中可以看到，电感L1上流过的电流I1的高频谐波主要分布在24kHz的倍数次附近，由于滤波电容的高频旁路作用，电感L2上流过的电流I2的高频分量很小，主要集中在24kHz附近，最大幅值为6.97mA。图14为采用反向耦合电感的滤波器a的仿真结果，抵消电感Ladd与电容支路上的等效电感Lb-M的绝对值相等，将其完全抵消掉，使图6所示滤波器a达到与LCL滤波器同样的滤波效果，保证了滤波器的高频滤波效果。从电流频谱中可以看到，电感L2上流过的电流I2在24kHz附近的最大幅值为6.96mA，与无耦合LCL滤波器相似。
根据电感参数分别制作了LCL滤波器和耦合电感滤波器的电感实物。LCL滤波器的两个电感采用EE70B和EE65磁芯，耦合电感滤波器的耦合电感采用EE85A磁芯，抵消电感采用铂科公司的NPS050060磁环。主功率回路电感绕线采用0.1×160的利兹线，并联支路电感及抵消电感绕线采用0.07×14的利兹线。图8、图9分别为使用agilent e5061B型网络分析仪对LCL滤波器和耦合电感滤波器的幅频曲线的测量结果。由于实际制作时，抵消电感很难完全抵消并联支路中的等效负感，所以两滤波器的幅频曲线在谐振点后半段有点差异，但在100kHz频率之前，两曲线的增益较为接近，对于24kHz的开关频率附近及其倍数处频率的高频谐波均有较大的衰减率。对比表1两滤波器磁件体积和可知，本发明的耦合电感滤波器节省了20.8％的磁件体积。
表1
滤波电容可以采用单电容，也可以采用多电容串并联。主功率支路电感、并联支路电感和抵消电感的磁芯采用铁磁材料如硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶、坡莫合金或铁钴钒。主功率支路电感、并联支路电感和抵消电感绕组采用实心导线、Litz线、铜皮或者PCB绕组形式。交流电压源可以为单相、三相或者多相，整流电路可以采用桥式、半波、全波、倍压或倍流整流滤波，逆变电路可以采用桥式、半波、单相、多相逆变电路。对于n相整流/逆变电路，可以将n个带有耦合电感的滤波器接在交流电压源和整流/逆变电路之间，如图15所示。
从本实例中可见，本发明滤波器的结构可以等效LCL滤波器，同时采用耦合磁集成技术减少了磁件体积重量，可以带来很好的经济效益，具有良好的发展前景。
具体实施例二
带有反向耦合电感的滤波器b如图10所示，主功率支路和并联支路的连接关系与具体实施例一相同，二端口网络的1号端子和2号端子之间接整流/逆变电路，整流或逆变侧等效电压源为Ur，二端口网络的3号端子和4号端子之间接交流电压源Ug。滤波器参数设计方法与具体实施例一相同，图11是带有反向耦合电感的滤波器b采用互感消去法得到的等效电路。

Claims (7)

1.带有耦合电感的滤波器，其特征在于，包括：仅包含有第一电感（L a）的主功率支路，第二电感（L b）和滤波电容（C f）以及抵消阻抗（L add）串联组成的并联支路，主功率支路和并联支路组成二端口网络，所述二端口网络中任一端口接交流电压源时另一端口接整流电路或逆变电路，
第一电感（L a）的第一端子与第二电感（L b）一端连接，第二电感（L b）另一端与抵消阻抗（L add）一端连接，抵消阻抗（L add）另一端与滤波电容（C f）的一极连接，第一电感（L a）的第二端子与滤波电容（C f）的另一极构成所述二端口网络的一个端口，第一电感（L a）和第二电感（L b）的连接点与滤波电容（C f）的另一极构成所述二端口网络的另一个端口，第一电感（L a）与第二电感（L b）反向耦合。
2.根据权利要求1所述带有耦合电感的滤波器，其特征在于，所述抵消阻抗为单电感或单电容或电感电容的串并联组合，在宽频率范围下采用单电感作为抵消阻抗。
3.根据权利要求1所述带有耦合电感的滤波器，其特征在于，所述滤波器还包括阻尼电阻（R），所述阻尼电阻（R）串接在并联支路中或者并联在滤波电容（C f）的两极之间。
4.根据权利要求1所述的带有耦合电感的滤波器，其特征在于，所述第一电感（L a）与第二电感（L b）的磁芯为硅钢片或铁氧体或微晶或超微晶或坡莫合金或铁钴钒材质的磁芯。
5.根据权利要求1所述的带有耦合电感的滤波器，其特征在于，所述第一电感（L a）与第二电感（L b）的绕组为实心导线或者Litz线或者铜皮或者PCB绕制而成的绕组。
6.权利要求1所述带有耦合电感的滤波器的参数确定方法，其特征在于，采用互感消去法得到所述带有耦合电感的滤波器的等效电路，调节第一电感（L a）和第二电感（L b）的感值及耦合系数使得并联支路上等效电感值非正，在并联支路中串接使得并联支路上等效感值之和为0的抵消阻抗，以使所述带有耦合电感的滤波器等效为常规LCL滤波器。
7.根据权利要求6所述带有耦合电感的滤波器的参数确定方法，其特征在于，所述调节第一电感（L a）和第二电感（L b）的感值及耦合系数使得并联支路上等效电感值非正，具体为：调节耦合系数为1，并调节第一电感（L a）的感值大于第二电感（L b）的感值。
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