LCL型滤波器有源阻尼控制策略分析

LCL型滤波器有源阻尼控制策略分析

冯英杰

大唐阳城发电有限责任公司  048102

摘要:由于L滤波器必须增大电感值来取得较好的滤波效果，这样就会增加系统的体积和损耗，而 LCL 滤波器凭借着低成本、低损耗和杰出的高频谐波抑制能力逐渐取代了 L 滤波器在并网逆变器中的应用地位。但是 LCL 滤波器为三阶系统，会产生一个谐振峰，使得系统极其不稳定，那么 LCL 滤波器存在的谐振问题就不容忽略。本文针对抑制 LCL 滤波器谐振峰问题的有源阻尼法进行了探索研究。

关键词：有源阻尼，电容电流反馈，并网逆变器，LCL滤波器

阻尼电阻上不可避免地存在损耗，从而降低并网逆变器效率，低频增益和高频谐波衰减能力。所以本文提出通过控制的手段阻尼LCL谐振峰的有源阻尼方法，这种方法可以有效避免无源阻尼带来的负面因素，它采用了适当的控制算法，从控制环路上修正了LCL滤波器的频率特性，从而达到预期的阻尼效果，当然这种方法同样也被称为“虚拟电阻”法。

1、基于状态变量反馈的有源阻尼方法

在 LCL 滤波器的电感或电容支路中串联或并联电阻可以阻尼 LCL 的谐振峰。基于状态变量反馈的有源阻尼方法，是指通过反馈适当的状态变量，从控制上模拟出一个虚拟电阻，来获得与实际电阻相同的阻尼效果即所谓的基于“虚拟电阻”的有源阻尼方法，众所周知，电感并联电阻的阻尼效果最好，下面推导与电容并联电阻等效的有源阻尼方法。

我们可以先画出采用电容并联电阻的LCL型并网逆变器的控制框图，如图3.1所示。其中，Vr（s）为调制波信号，Kpwm=Vm/Vtri为调制波到逆变桥输出电压Uinv（s）的传递函数，这里Vin为输入电压，Vin为三角载波的幅值。

图3.1  采用电容并联电阻的LCL型并网逆变器的控制框图

在图3.1中，就表示在电容两端并联的电阻，对图3.1进行如下等效变换：将支路的电容电压的反馈点移动到的输入端，，与此同时要注意修改反馈函数，等效形式1相当于把一个电阻并联在滤波电容上。

并网电流二次微分反馈就是将电容电压反馈拆分为和这两个部分，因为电容电压的值是电感的电压和电网电压的和，接着就可以将该支路反馈量改写为并网电流，同时调整反馈增益。并网电流的二次微分反馈加上电网电压的一次微分反馈产生的效果和把一个电阻并联在滤波电容上是相同的。这里需要留意的一个细节就是，是作为一个扰动信号所存在，它的特点就是对LCL滤波器谐振峰的阻尼效果没有影响。所以，从阻尼这个方面出发的话，可以直接将电网电压的一次微分反馈省略掉，仅仅需要把并网电流做一个二次微分反馈就可以了。

最后一个等效形式就是电容电流比例反馈，此反馈方式就是将反馈变量改为电容电流，接着修改相对的反馈系数，这个时刻的电容电流的反馈系数相对于其他形式不同的就是它是一个常数，即/（），不会影响最后的比例反馈系数。由此看来，电容电流比例反馈这个方法和将一个电阻并联在滤波电容上的方法效果相当。[17]

通过上述分析可以得出：电容电压一次微分反馈，并网电流二次微分反馈，电容电流比例反馈这三种方法所获得的阻尼效果与电容并联电阻活的的阻尼效果是相当的。在我们平时的实际运用中，高频噪声会被微分所放大，我们所设想的理想状态下的微分基本上是不可能实现的，微分实际值与理想值之间的差值就是微分的误差，这个误差会直接影响到有源阻尼的效果。相比较这三个方法，电容电流比例反馈这种方法实现起来很方便简单，阻尼效果明显，成本较低，在实际应用中使用非常广泛。

类似于等效滤波电容并联电阻的有源阻尼的等效形式，通过转换控制框图，可以推导出等效滤波电容串联电阻和等效滤波电感串联或并联电阻的有源阻尼方法。

2、基于陷波器的有源阻尼方法

为了控制LCL型并网逆变器产生的谐振问题，需要引入阻尼来解决这个问题，但是引入阻尼会致使LCL滤波器的传递函数由转换成的样式。要想实现这种转变的话，可以采用电容电流反馈的有源阻尼方法，电容并联电阻的无源阻尼方法，除此之外还可以直接将乘以/的单元。现在规定=/，很明显就可以看出，描述的意思其实就是陷波器的传递函数。从控制的方面来看的话，为了使得能与相乘，仅仅需要把放入到控制环路当中即可，而且是要以级联的形式放入，如下图2.15所示。该图所示的阻尼方式就是我们所说的基于陷波器的有源阻尼方法。

图3.3  基于陷波器的有源阻尼方法

    由此我们可以得出结论，在高频段和低频段上，是不会对LCL滤波器在这些频段的幅频特性产生任何的影响，因为传递函数的增益在这两个频段的增益为0dB；在LCL滤波器的谐振频率处，LCL滤波器的谐振尖峰被抵消了，这是由于为它提供了一个反谐振尖峰，使得这个点的谐振尖峰彻底消失。从陷波器的频率特性就能看出加陷波器阻尼一样都会达到非常理想的阻尼效果。

通过公式上述频率特性，可以得出，在选择了陷波器阻尼时，一定要准确无误的确定LCL滤波器的谐振频率。但是，因为陷波器阻尼会出现元件老化,磁芯饱和等等各种各样的问题在我们的实际应用当中，所以LCL滤波器的参数自然而然会随着这些问题而变化，同时谐振频率也会上下浮动，不能稳定。在这样的条件下，陷波器阻尼的效果会被大大降低，最后有可能导致彻底失败。所以，可以通过在线直接测量LCL滤波器的谐振频率来及时修正滤波器参数。

分析了两类有源阻尼方法:一是基于状态变量反馈的有源阻尼方法,包括电容电流比例反馈、电容电压一次微分反馈和并网电流二次微分反馈;二是基于陷波器的有源阻尼方法。最后,分析和比较了各种有源阻尼方法的特性,并从中选择电容电流反馈有源阻尼作为研究对象。

参考文献

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[2]罗安, 吴传平, 彭双剑. 谐波治理技术现状及其发展[J]. 大功率变流技术, 2011, (06): 1-5.

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[4]Welchko B A, Lipo T A, Jahns T M, et al. Fault tolerant three-phase AC motor drive topologies: a comparison of feature, cost, and limitations[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(4): 1108-1116.