CN111416509A - Lcl滤波器参数的设计方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种LCL滤波器参数的设计方法和系统。所述方法包括：获取整流电路输入侧的输入参数，所述整流电路输入侧与变频器相连，所述输入参数包括来自变频器的反馈电压和载波频率；获取基准参数，所述基准参数包括第一压降占比和第二压降占比；根据所述输入参数和基准参数，计算得到与所述变频器匹配的目标参数，所述目标参数包括第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数。基于上述方法，根据变频器的参数确定与其匹配的目标参数，根据目标参数选择市面上对应参数的LCL滤波器，或根据目标参数定制LCL滤波器，提高了应用系统的稳定性和抗干扰能力。

Description

LCL滤波器参数的设计方法和系统

技术领域

本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种LCL滤波器参数的设计方法和系统。

背景技术

普通变频器大都采用二极管整流桥将交流电转换成直流，然后采用IGBT逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的交流电控制交流电动机。这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为两象限变频器。由于两象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量的应用中，比如电梯、提升机、离心机系统、抽油机等，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元，将电动机回馈的能量消耗掉。另外，二极管整流桥会对电网产生严重谐波污染。

而四象限变频器满足各种工业应用需求，特别适用在起重提升设备等大惯量位能负载，设备的转动惯量GD较大，属反复短时连续工作制，从高速到低速的减速降幅较大，制动时间又较短，又要强力制动效果的场合或者需要长时重载电气制动的场合。为了提高节电效果，减少制动过程的能量损耗，将减速能量回收反馈到电网，达到节能、环保的功效。

LCL滤波器是四象限变频器发挥优异性能，满足《中华人民共和国煤炭行业标准MT/T1099—2009》、《GB/T14549-93电能质量公用电网谐波》等国家、行业标准的重要配件，主要是解决并网谐波电压问题，把反馈至电网的PWM电压波形转换为正弦波，降低电压谐波对电网的干扰，保障变频器机芯等核心电气传动机构高可靠运行。

目前市场上的四象限变频器，应用故障比较多、容易受谐波干扰停机，特别是大功率产品；EMC测试周期长，整改次数多，主要原因是配件LCL滤波器的参数设计和变频器在整体集成上，没有实现最优化，因此选择与变频器匹配的LCL滤波器至关重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种LCL滤波器参数的设计方法和系统。

第一方面，本申请提供了一种LCL滤波器参数的设计方法，包括：

获取整流电路输入侧的输入参数，所述整流电路输入侧与变频器相连，所述输入参数包括来自变频器的反馈电压和载波频率，所述载波频率为工频与第一预设倍数的乘积；

获取基准参数，所述基准参数包括第一压降占比和第二压降占比；

根据所述输入参数和基准参数，计算得到与所述变频器匹配的目标参数，所述目标参数包括第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数，所述整流电路由第一电感参数对应的第一电抗器、第二电感参数对应的第二电抗器、目标电容参数对应的连接在第一电抗器和第二电抗器之间的电容组构成。

可选地，所述基准参数还包括预设常数式，根据所述输入参数和基准参数生成第一电感参数，包括：

获取所述预设常数式，所述预设常数式包括预设常数与工频的乘积；

计算所述反馈电压与所述第一压降占比的乘积，得到第一乘积，计算所述第一乘积与所述预设常数式的比值，得到所述第一电感参数。

可选地，所述基准参数还包括预设常数式，根据所述输入参数和基准参数生成第二电感参数，包括：

获取所述预设常数式，所述预设常数式包括预设常数与工频的乘积；

计算所述反馈电压与所述第二压降占比的乘积，得到第二乘积，计算所述第二乘积与所述预设常数式的比值，得到所述第二电感参数。

可选地，所述基准参数还包括谐振频率，根据所述输入参数和基准参数计算得到目标电容参数，包括：

获取谐振频率，所述谐振频率大于第一预设频率，所述第一预设频率为工频与第二预设倍数的乘积，所述第二预设倍数大于等于10；

根据所述谐振频率、第一电感参数和第二电感参数，计算得到所述目标电容参数。

可选地，所述谐振频率小于第二预设频率，所述第二预设频率为所述载波频率与第三预设倍数的乘积，所述第三预设倍数小于1，且所述第二预设频率大于所述第一预设频率。

可选地，所述根据所述谐振频率、第一电感参数和第二电感参数，计算得到所述目标电容参数，包括：

根据所述谐振频率、第一电感参数和第二电感参数，得到多个候选电容参数；

根据所述候选电容参数，得到对应的候选谐振频率；

计算所述候选谐振频率与所述第二预设频率之间的差值，得到对应的频率差值；

筛选最小的频率差值对应的候选频率作为目标谐振频率，将所述目标谐振频率对应的候选电容参数作为目标电容参数。

可选地，所述获取基准参数，包括：

获取包含多个数据对的数据样本，每个数据对包括第一估算占比和对应的第二估算占比；

根据每个数据对计算得到影响参数；

判断各个所述影响参数是否满足预设条件；

将满足预设条件的数据对作为所述基准参数。

第二方面，本实施例提供了一种LCL滤波器参数的设计系统，所述系统包括：

LCL滤波器，用于将所述电网与变频器之间传输的电能进行滤波处理，所述LCL滤波器包括整流电路，所述整流电路由第一电抗器、第二电抗器以及连接在第一电抗器和第二电抗器之间的电容组构成；

变频器，用于接收经所述LCL滤波器滤波后的电能，发送所述电能至用电设备，并将发电设备产生的反馈电能经LCL滤波器输送至电网；

参数计算装置，用于根据所述变频器的参数生成与所述变频器匹配的目标参数，根据所述目标参数选择与所述变频器匹配的LCL滤波器。

可选地，所述参数计算装置包括：

输入参数获取模块，用于获取整流电路输入侧的输入参数，所述整流电路输入侧与变频器相连，所述输入参数包括来自变频器的反馈电压和载波频率，所述载波频率为工频与第一预设倍数的乘积；

基准参数获取模块，用于获取基准参数，所述基准参数包括第一压降占比和第二压降占比；

计算模块，用于根据所述输入参数和基准参数，计算得到与所述变频器匹配的目标参数，所述目标参数包括第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数，所述第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数分别与所述整流电路中的第一电抗器、第二电抗器和电容组一一对应。

可选地，所述基准参数还包括预设常数式，所述计算模块包括：

第一常数获取单元，用于获取所述预设常数式，所述预设常数式包括预设常数与工频的乘积；

第一电感计算单元，用于计算所述反馈电压与所述第一压降占比的乘积，得到第一乘积，计算所述第一乘积与所述预设常数式的比值，得到所述第一电感参数。

上述LCL滤波器参数的设计方法和系统，所述方法包括：获取整流电路输入侧的输入参数，所述整流电路输入侧与变频器相连，所述输入参数包括来自变频器的反馈电压和载波频率，所述载波频率为工频与第一预设倍数的乘积；获取基准参数，所述基准参数包括第一压降占比和第二压降占比；根据所述输入参数和基准参数，计算得到与所述变频器匹配的目标参数，所述目标参数包括第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数，所述整流电路由第一电感参数对应的第一电抗器、第二电感参数对应的第二电抗器、目标电容参数对应的连接在第一电抗器和第二电抗器之间的电容组构成。基于上述方法，在变频器的参数确定的情况下，根据变频器的参数确定与其匹配的目标参数，根据目标参数选择市面上对应参数的LCL滤波器，或根据目标参数定制LCL滤波器，提高了应用系统的稳定性和抗干扰能力。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中一种LCL滤波器参数的设计方法的流程示意图；

图2为一个实施例中一种整流电路的原理示意图；

图3为一个实施例中一种实验测试结果图；

图4为一个实施例中一种实验测试效果图；

图5为一个实施例中一种滤波参数处理系统的结构框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在一个实施例中，图1为一个实施例中一种LCL滤波器参数的设计方法的流程示意图，参照图1，提供了一种LCL滤波器参数的设计方法。该LCL滤波器参数的设计方法具体包括如下步骤：

步骤S110，获取整流电路输入侧的输入参数，整流电路输入侧与变频器相连，输入参数包括来自变频器的反馈电压和载波频率，载波频率为工频与第一预设倍数的乘积。

在本实施例中，第一预设倍数大于等于40，变频器根据需求选取，如ACP30-800KW型号变频器，工频的具体值一般为各个国家的国家标准值，也可以为自己定义的值。

在一个具体的实施例中，工频F为50Hz，载波频率F_w≥2KHz，反馈电压

其中U′为变频器输入整流电路输入侧的输入电压。

步骤S120，获取基准参数，基准参数包括第一压降占比和第二压降占比。

在本实施例中，第一压降占比和第二压降占比可以为经验值和分析值。如对大量的实验数据进行分析后得到基准参数，通过大量数据分析得到的基准参数时，可以对多个维度的因素进行综合考量，如综合考量电能质量和变频器的输出力矩等因素，使得采用该基准参数后的系统的运行稳定性更高。

步骤S130，根据输入参数和基准参数，计算得到与变频器匹配的目标参数，目标参数包括第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数，整流电路由第一电感参数对应的第一电抗器、第二电感参数对应的第二电抗器、目标电容参数对应的连接在第一电抗器和第二电抗器之间的电容组构成。

在本实施例中，图2为一个实施例中一种整流电路的原理示意图，如图2所示，整流电路中第一电抗器对应的第一电感参数为L1，第二电抗器对应的第二电感参数为L2，电容组包括第一谐振电容C1、第二谐振电容C2和第三谐振电容C3，当三个谐振电容星型连接时，C1＝C2＝C3＝C；当三个谐振电容三角型连接时，

根据输入参数和基准参数计算生成L1、L2和C，由此确定与变频器最匹配的LCL滤波器对应的参数或型号，降低电压谐波对电网的干扰，保证整个系统的正常运行，提高系统正常运行时的稳定性，实现LCL滤波器与变频器在整体集成上的最优化。

在一个实施例中，基准参数还包括预设常数式，获取预设常数式，预设常数式包括预设常数与工频的乘积；将反馈电压与第一压降占比的乘积，除以预设常数式，生成第一电感参数。

具体地，预设常数式为2πF，第一电感参数为：

其中，A％为第一压降占比。

在一个实施例中，基准参数还包括预设常数式，获取预设常数式，预设常数式包括预设常数与工频的乘积；将反馈电压与第二压降占比的乘积，除以预设常数式，生成第二电感参数。

具体地，预设常数式为2πF，第二电感参数为：

其中，B％为第二压降占比。

在一个实施例中，基准参数还包括谐振频率，获取谐振频率，谐振频率大于第一预设频率，第一预设频率为工频与第二预设倍数的乘积，第二预设倍数大于等于10；根据谐振频率、第一电感参数和第二电感参数，计算得到目标电容参数。

具体地，第一预设频率F1≥500Hz，谐振频率大于第一预设频率，即谐振频率F′≥500，谐振频率为：

根据上式计算得出电容参数C，由于谐振频率F′是一个区间参数，因此生成的电容参数对应的是一个区间参数，即此区间内的电容参数都可以作为目标电容参数。

在一个实施例中，谐振频率小于第二预设频率，第二预设频率为载波频率与第三预设倍数的乘积，第三预设倍数小于1，且第二预设频率大于第一预设频率。

具体地，第二预设频率为F2＝C*F_w＝C*2000，第三预设倍数C<1，此处设定C＝0.5，即F2≤1000Hz，谐振频率小于第二预设频率，即500Hz≤F′≤1000Hz，根据大量的试验测试和现有通用公式计算，在此区间内的谐振频率，系统运行时的稳定性最高。

在一个实施例中，根据谐振频率、第一电感参数和第二电感参数，得到多个候选电容参数；根据候选电容参数，得到对应的候选谐振频率；计算候选谐振频率与第二预设频率之间的差值，得到对应的频率差值；筛选最小的频率差值对应的候选频率作为目标谐振频率，将目标谐振频率对应的候选电容参数作为目标电容参数。

具体地，在电容参数区间内的多个电容参数中选择一个作为目标电容参数，每个电容参数对应的谐振频率为候选谐振频率，将多个候选频率中最靠近第二预设频率F2的作为目标谐振频率，目标谐振频率对应的电容参数作为目标电容参数，越靠近第二预设频率的谐振频率，系统运行时的稳定性越高、抗干扰能力越强、EMC测试周期越短、整改次数减少。

基于成本考虑可选择市面上，与目标电容参数、第一电感参数、第二电感参数相近的成品LCL滤波器，若对系统运行性能有较高要求时，可按照目标电容参数、第一电感参数和第二电感参数定制与变频器匹配的LCL滤波器。

图3为一个实施例中一种实验测试结果图，图4为一个实施例中一种实验测试效果图，如图3所示，基于目标电容参数、第一电感参数和第二电感参数，得到3.1％THD-3-5次谐波，明显改善了电网谐波，降低了系统对电网的干扰。如图4所示，变频器搭配LCL滤波器整机运行更平稳，不再有波形骤变的情况，减少了维护频繁的问题。

在一个实施例中，获取包含多个数据对的数据样本，每个数据对包括第一估算占比和对应的第二估算占比；根据每个数据对计算得到影响参数；判断影响参数是否满足预设条件；将满足预设条件的数据对作为基准参数。

具体地，根据多个数据对进行试验测试，影响参数包括变频器的输出力矩、电抗器的电感量、电能质量、电抗器的尺寸大小等，当估算占比越大，电抗器的电感量越大、谐波含量越小、电能质量越高，但同样会导致变频器的输出力矩不足、电抗器尺寸较大、制作成本较高，因此通过综合因素的考虑及实际情况的需求，得到第一压降占比为4％和第二压降占比为8％的基准参数。

图1为一个实施例中LCL滤波器参数的设计方法的流程示意图。应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，图5为一个实施例中一种滤波参数处理系统的结构框图，参照图5，本实施例提供了一种LCL滤波器参数的设计系统，该系统包括：

LCL滤波器210，用于将电网与变频器220之间传输的电能进行滤波处理，LCL滤波器210包括整流电路，整流电路由第一电抗器、第二电抗器以及连接在第一电抗器和第二电抗器之间的电容组构成；

变频器220，用于接收经LCL滤波器210滤波后的电能，发送电能至用电设备，并将发电设备产生的反馈电能经LCL滤波器210输送至电网；

参数处理装置230，用于根据变频器220的参数生成与变频器220匹配的目标参数，根据目标参数选择与变频器220匹配的LCL滤波器210。

在一个实施例中，参数处理装置230包括：

输入参数获取模块，用于获取整流电路输入侧的输入参数，整流电路输入侧与变频器220相连，输入参数包括来自变频器220的反馈电压和载波频率，载波频率为工频与第一预设倍数的乘积，所述第一预设倍数大于等于40；

基准参数获取模块，用于获取基准参数，基准参数包括第一压降占比和第二压降占比；

计算模块，用于根据输入参数和基准参数，计算得到与变频器220匹配的目标参数，目标参数包括第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数，第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数分别与整流电路中的第一电抗器、第二电抗器和电容组一一对应。

在一个实施例中，基准参数还包括预设常数式，计算模块包括：

第一常数获取单元，用于获取预设常数式，预设常数式包括预设常数与工频的乘积；

第一电感计算单元，用于将反馈电压与第一压降占比的乘积，除以预设常数式，生成第一电感参数。

在一个实施例中，基准参数还包括预设常数式，计算模块包括：

第二常数获取单元，用于获取所述预设常数式，所述预设常数式包括预设常数与工频的乘积；

第二电感计算单元，用于计算所述反馈电压与所述第二压降占比的乘积，得到第二乘积，计算所述第二乘积与所述预设常数式的比值，得到所述第二电感参数。

在一个实施例中，所述基准参数还包括谐振频率，计算模块还包括：

频率获取单元，用于获取谐振频率，所述谐振频率大于第一预设频率，所述第一预设频率为工频与第二预设倍数的乘积，所述第二预设倍数大于等于10；

电容计算单元，用于根据所述谐振频率、第一电感参数和第二电感参数，计算得到所述目标电容参数。

在一个实施例中，所述谐振频率小于第二预设频率，所述第二预设频率为所述载波频率与第三预设倍数的乘积，所述第三预设倍数小于1，且所述第二预设频率大于所述第一预设频率。

在一个实施例中，计算模块还包括：

候选参数计算单元，用于根据所述谐振频率、第一电感参数和第二电感参数，得到多个候选电容参数；

候选频率获取单元，用于根据所述候选电容参数，得到对应的候选谐振频率；

差值计算单元，用于计算所述候选谐振频率与所述第二预设频率之间的差值，得到对应的频率差值；

目标确定单元，用于筛选最小的频率差值对应的候选频率作为目标谐振频率，将所述目标谐振频率对应的候选电容参数作为目标电容参数。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种LCL滤波器参数的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

获取整流电路输入侧的输入参数，所述整流电路输入侧与变频器相连，所述输入参数包括来自变频器的反馈电压和载波频率，所述载波频率为工频与第一预设倍数的乘积；

获取基准参数，所述基准参数包括第一压降占比和第二压降占比；

根据所述输入参数和基准参数，计算得到与所述变频器匹配的目标参数，所述目标参数包括第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数，所述整流电路由所述第一电感参数对应的第一电抗器、所述第二电感参数对应的第二电抗器、所述目标电容参数对应的连接在第一电抗器和第二电抗器之间的电容组构成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基准参数还包括预设常数式，根据所述输入参数和基准参数生成第一电感参数，包括：

获取所述预设常数式，所述预设常数式包括预设常数与工频的乘积；

计算所述反馈电压与所述第一压降占比的乘积，得到第一乘积，计算所述第一乘积与所述预设常数式的比值，得到所述第一电感参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基准参数还包括预设常数式，根据所述输入参数和基准参数生成第二电感参数，包括：

获取所述预设常数式，所述预设常数式包括预设常数与工频的乘积；

计算所述反馈电压与所述第二压降占比的乘积，得到第二乘积，计算所述第二乘积与所述预设常数式的比值，得到所述第二电感参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基准参数还包括谐振频率，根据所述输入参数和基准参数计算得到目标电容参数，包括：

获取谐振频率，所述谐振频率大于第一预设频率，所述第一预设频率为工频与第二预设倍数的乘积，所述第二预设倍数大于等于10；

根据所述谐振频率、第一电感参数和第二电感参数，计算得到所述目标电容参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述谐振频率小于第二预设频率，所述第二预设频率为所述载波频率与第三预设倍数的乘积，所述第三预设倍数小于1，且所述第二预设频率大于所述第一预设频率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述谐振频率、第一电感参数和第二电感参数，计算得到所述目标电容参数，包括：

根据所述谐振频率、第一电感参数和第二电感参数，得到多个候选电容参数；

根据所述候选电容参数，得到对应的候选谐振频率；

计算所述候选谐振频率与所述第二预设频率之间的差值，得到对应的频率差值；

筛选最小的频率差值对应的候选频率作为目标谐振频率，将所述目标谐振频率对应的候选电容参数作为目标电容参数。

7.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述获取基准参数，包括：

获取包含多个数据对的数据样本，每个数据对包括第一估算占比和对应的第二估算占比；

根据每个数据对计算得到影响参数；

判断各个所述影响参数是否满足预设条件；

将满足预设条件的数据对作为所述基准参数。

8.一种LCL滤波器参数的设计系统，其特征在于，所述系统包括：

LCL滤波器，用于将所述电网与变频器之间传输的电能进行滤波处理，所述LCL滤波器包括整流电路，所述整流电路由第一电抗器、第二电抗器以及连接在第一电抗器和第二电抗器之间的电容组构成；

变频器，用于接收经所述LCL滤波器滤波后的电能，发送所述电能至用电设备，并将发电设备产生的反馈电能经LCL滤波器输送至电网；

参数计算装置，用于根据所述变频器的参数生成与所述变频器匹配的目标参数，根据所述目标参数选择与所述变频器匹配的LCL滤波器。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述参数计算装置包括：

输入参数获取模块，用于获取整流电路输入侧的输入参数，所述整流电路输入侧与变频器相连，所述输入参数包括来自变频器的反馈电压和载波频率，所述载波频率为工频与第一预设倍数的乘积；

基准参数获取模块，用于获取基准参数，所述基准参数包括第一压降占比和第二压降占比；

计算模块，用于根据所述输入参数和基准参数，计算得到与所述变频器匹配的目标参数，所述目标参数包括第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数，所述第一电感参数、第二电感参数和目标电容参数分别与所述整流电路中的第一电抗器、第二电抗器和电容组一一对应。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述基准参数还包括预设常数式，所述计算模块包括：

第一常数获取单元，用于获取所述预设常数式，所述预设常数式包括预设常数与工频的乘积；

第一电感计算单元，用于计算所述反馈电压与所述第一压降占比的乘积，得到第一乘积，计算所述第一乘积与所述预设常数式的比值，得到所述第一电感参数。

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