LCL有源滤波主电路设计研究

史成方

摘要： 随着开关器件在变流器中的大量应用，对电网造成了很大的谐波污染，为了减少污染，为了加快谐波的衰减，就在变流器和电网之间利用LCL滤波器来减小谐波产生的危害。本文分析建立了有源滤波电路的数学模型，提出了LCL滤波电路滤波，并指出了它比传统滤波的优点，分别对电路中的电感电容进行了详细的参数设置。

关键词：滤波器，有源电力滤波（APF），谐波污染

1.1 传统滤波器的简介

传统滤波器电路结构主要有三种[2]，分别为：四桥臂形式、电容中点形式以及三个单相全桥形式。其中电容中点式结构的电路是很简单的，由于采用的开关个数比较少，相对来说利用率就比较高，但是电路的特殊结构限制了它在较大的功率系统中的应用。

相对来说，三相有源滤波需要的开关最多，电路可以根据实际的需要进行有效的组合，但在实际应用的时候，输入直流端侧就会产生大量谐波，电压波动较大。三个相互独立的单相APF组成的三相有源电力滤波器的系统主要应用于小功率系统。

1.2 有源电力滤波电路结构

为了尽量克服传统滤波器的缺点，降低电流的谐波，我们设计电路的时候在逆变器的交流侧接入LCL滤波器，它跟独立的电感滤波相比，在抑制谐波的时候不需要太高的电感值，同时在开关频率很高的场合抑制谐波的性能也会变得更强，LCL滤波器无论是在经济上还是性能上都比电感滤波器强。在频率不高的光伏发电系统中，有着更多的优点。

1.2.1 LCL滤波电路结构

我们设计的电感电容电感型滤波器，它的主电路结构如图1所示，在星型连接的电容之间是两个不同的电感L和L1。逆变器是由全控器件组成的三相桥式逆变结构，L1起着能量传递和滤波的作用，电感L和电容Cf仅仅起着滤波的作用。

为了方便研究，我们选取三相电路中的一相进行分析，

由基尔霍夫定律可以得出下列方程：

（l）

1.2.2 数学模型

R与R1为电路中的等效的电阻抗。建立单相数学模型如图2所示：

R与R1代表电感的等效电阻，在计算的时候其阻值一般不在我们考虑的范围内，由此可以得出输入输出的函数关系式： （2）

如果是纯电感滤波器函数表达式为：

（3）

我们对比两式可以看出，在两种滤波器下，如果频率ω0取值比较小的时候，G1（s）、G2（s）的值是基本无差别的。但是随着ω0取值增大，G2（s）比G1（s）对谐波的抑制要差很多，由此可以看出在相同的负载下，频率较大的时候，电感电容电感的滤波效果比纯电感的好。

1.3 有源电力滤波器参数的设置

在设计滤波器的时候，满足抑制谐波的同时还要以提高功率因数和控制输出电路为最终目的，还要防止电路产生不必要的谐振。我们以三相对称的一相为研究目标建立等效电路结构。我们在研究分析的时候通常是把电网的电压等效为理想的，那么其中就只有基波分量，高次的谐波不存在，这样就等价为电网电压短路了，电路结构如图3所示。

图3 电路短路等效电路

1.3.1 电容的参数设置

我们知道功率因数为：

（4）

有式子（5）可知，电容无功功率为QCF1，而系统的输出额定功率是Poe在计算数值的时候我们会假定一个cosφ值，我们取值为cosφ=0.995，我们就由频率计算出电容的参数值：

（5）

1.3.2 电感L2的参数设置

在我们建立的数学模型中流过两个电感的不同电流的比值，我们得出电流表达式：

I11（h）=I21（h）+jωhCF1UC1（h） （6）

在上式中，ωh=ωb*h。 为了降低抑制谐波造成电网的污染，3≤|■|，由此可以得出式（6）成立的条件：

（7）

对于并网的有效值电压考虑电压裕量我们取1.1，由于输出的功率是一样的，由P=UI知道电压与电流成反比，在这种情况下，电感的值是最小的。

1.3.3 电感L1的参数设置

按照谐波标准规定[4]：

谐波的次数一般在23到35之间，此时电流为：I21（h）=0.006Iea；于是h>35的时候，电网的输入电流 I21（h）=0.003Iea。对于逆变器的电流频率跟开关器件的选择及其本身的特性有关，我们在设计电感的时候，主要针对h>35的谐波，在确定了电感各输出端的电感后，我们就参考电感的最大值即： 此时：

（8）

输入电压的频率在开关频率的一半以下，为了防止电路发生谐振，我们就应该使频率的值定在：

（9）

得出每个值的参数后，由（9）为基准，我们验证电路中的阻抗谐振点低于开关频率的一半。我们取基波频率为工频，得出L1=400uH，L2=250uH，电容为10uF。

小结：我们对传统滤波器和有源电力滤波器做了分析对比，提出了一种新的有源电力滤波方式LCL滤波，同时对电路中的电感电容的参数进行了设置。得出了电路的等效结构和输入输出的函数关系式，在对电感电容的值进行设置的时候，主要以并网发电的需求为目标进行考虑的，最后的参数值还考虑了谐振。

参考文献：

[1] 王兆安，杨君，刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，

2006.78-90

[2] 姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器[M].科学出版社，2005.90-95

[3] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].化学工业出版社，2005.35-40

[4] 叶 颖.三相光伏并网逆变电源的研制[D].山东大学，2008.134-142