三电平LCL滤波器优化设计研究

三电平LCL滤波器优化设计研究

胡启芬

特变电工西安电气科技有限公司 陕西西安 710000

摘要：在电力电子装置中，LCL滤波器的应用较为广泛，但LCL滤波器存在谐振问题，若没有合适的阻尼或控制方法，系统的稳定性将会受到影响，因此应该采取合理的方式方法进行优化。鉴于此，本文即对三电平LCL滤波器的优化设计展开深层次分析与研究。

关键词：LCL滤波器；设计；优化

引言

PWM变流器应用的功率器件多为IGBT，电压等级达3.3kV，可达到很高的开关频率，但此过程会导致高次谐波与开关损耗，使得电网上其他设备的运行受到影响。为保证体积与造价等问题能有效解决，需要加强对LCL滤波装置的应用，对以往单L滤波器加以替代。然而某些高次谐波下，滤波器电阻接近于0，致使谐振问题发生。为将此类问题解决，应该加强对三电平LCL滤波器的优化设计。

1三电平LCL滤波器的工作原理

三电平LCL滤波器是逆变器电路中应用较为广泛的滤波器类型，通过电感、电容以及电阻组成的滤波器网络，能够让逆变器输出的谐波得到良好抑制，对系统运行可靠性、安全性、稳定性的增强有促进作用，同时也能促进系统运行效率的提高。电感在LCL结构中发挥重要作用，可以对滤波器的性能及响应特性产生直接影响。

2三电平LCL滤波器的优化设计原则

（1）谐波抑制与系统运行稳定性。在对三电平LCL滤波器优化设计过程中，相关人员应该将对逆变器产生的高频谐波抑制作为最终目标，在确保不同电网条件下系统运行可靠性、稳定性、安全性的基础上，合理制定设计方案。在具体设计过程中，也要对滤波器的谐振频率精准计算，让其与电网谐振频率远离[1]。

（2）最小化损耗与体积。在实际优化设计期间，需要让滤波器的损耗降到最小，同时实现体积的最小化。在对电感和电阻值选择过程中，应该做到合理性、适用性，保证系统总电感量能全面降低，让逆变器的体积和重量减少，由此达到对电感引起的直流偏磁现象控制的目的[2]。

（3）多目标性能平衡。在优化设计过程中，设计人员还要对个人因素重点考虑，包括性能、成本、可靠性等，实现各个要素的均衡化。优化设计除了要对滤波性能重点考虑，实现性能的最优外，还需要对制造成本、安装等方面着重考量，保证设计方案可以具有较强的经济性适用性。

3三电平LCL滤波器优化设计

3.1 LCL滤波器总电感的确定

在三电平LCL滤波器优化设计过程中，总电感的确定是重中之重，出于对PWM波中不含有低次谐波这一因素的考量，在本次研究过程中，只对谐波时进行考虑，电网电压与短路类似，以a相为例，LCL滤波器可以等效成图1所示的谐波模型。

图 1 LCL滤波器谐波模型

结合图1中的各项数据来看：

代表的是a相桥臂侧谐波电压；

代表的是a相桥臂侧电感和网侧电感；

代表的是a相桥臂侧和网侧谐波电流。

通过对LCL滤波器谐波模型的进一步分析，得到的计算公式如下：

公式中：

代表的是LCL滤波器的谐振角频率。

为保证谐振角频谱的高低端形成的谐振现象能够有效规避，在具体设计过程中，谐振角的频率需要达到：

其中，代表的是基波角频率；

代表的是开关角频率。

因为输出谐波能量在开关频率周围聚集，所以在优化设计期间，主要对开关频率位置的谐波衰减情况进行分析与考察，将带到上述公式中，得出的计算公式如下：

结合公式了解，在不对谐振这一因素考虑的基础上，如果滤波效果保持一致，LCL滤波器的电感约为L滤波器电感的1/3左右，即。但出于对LCL滤波器谐振影响的考量，总电感在选择过程中，应该尽量大。

3.2 电感设计选型方法

在对三电平LCL滤波器优化设计过程中，电感的选型至关重要，需要结合实际情况，选择最合适的方式方法。在此过程中，可以利用计算法，通过对电路参数与要求的深层次剖析，对所需要的电感值合理计算，要对电感的电流承受能力重点考量，明确其损耗[3]。也可以采用经验法，依照系统设计经验或相关技术标准，选择合适的电感类型与数值。还可以采取仿真法，通过对电路仿真软件的综合运用，实现全面优化电感参数的目标，确保设计要求能顺利达成。在本次研究过程中，主要对仿真法灵活运用。

3.3 电感比和滤波电容的选择

电感比。因为应用的是LCL滤波器，除了要让网侧电流谐波的标准达到既定要求，还要保证谐波频率可以与相应标准吻合。为实现此目标，在本次分析过程中，着重对不同电感比和滤波电容进行考察与分析，明确其对总电感桥臂电流谐波产生的影响。结合最终的结果来看，在电容的不断增大下，LCL滤波器的总电感量会出现下降的情况。若网侧电感达到一定值，对总电感的影响不大。此外，在电容的持续增加下，桥臂电流谐波会有上升的现象出现。如果保持电容一致的情况下，网侧电感所占的比例越大，桥臂电流谐波的含量也会随之增大，结合计算公式：

公式中：

代表的是电感基准；

代表的是电压有效值；

代表的是功率基准；

代表的是电容基准；

依照最终的计算结果来看，电容在0.1~0.15之间，而电感比在0.5~1范围时，总电感量的变化处在平稳状态，此区域内对参数组合进行改变，总电感量的减小幅度较小。并且，此区域内在电容以及电感比的增大下，桥臂电流谐波的增加速度较快，因此电容和电感比应该选择此区域的下限值，具体计算公式为：

3.4 校验和阻尼电阻的选择

通过计算得出桥臂侧电感、滤波电容以及网侧电感经过检验计算得出谐振频率能够满足。如果没有达到既定要求，需要对电容和电感比重新选择和计算获取新的电容和电感比，直到达到要求为止。在校正结束后，求出在谐振点的电容阻抗，具体的公式如下所示：

3.5 算例、仿真以及试验

对于优化完成的方案，需要进行相应的仿真和试验，以此验证设计方案的可行性与适用性。在本次研究过程中，将10kVA三电平并网逆变器LCL滤波器作为研究对象，对优化设计方案进行验证，电网线电压的有效值为380V，直流侧电压为330V，通过对SPWM控制方法的利用，网侧电流峰值为40A。

结合计算公式，具体如下所示，对滤波器的范围展开计算，实际为：

公式中，

代表的是L滤波器的电感；

代表的是电网相电压峰值；

代表的是直流侧总电压。

以公式为基础，在实际计算之后，LCL滤波器的值具体为：

，取，故LCL滤波器，实际中。

LCL滤波器,桥臂电流侧电感。

为了对三电平LCL滤波器优化设计方法的可行性、正确性、经济性进行进一步验证，采取仿真法进行模拟，构建Matlab仿真模型，同时搭建一套将作为DSP-CPLD实验平台，通过对无源阻尼控制方案的灵活利用，结合最终a相网侧电流波形、谐波频谱仿真及实验模型来看，谐波失真分别为2.88%和3%，与并网要求一致，具体如图1、图2所示，实验结果与仿真结果相同，由此可以判断，本次研究的优化设计方案具有较强的可行性。

图1 a相网侧电流仿真与a相电网电流THD仿真波形

图2 a相网侧电流实验与a相电网电流THD实验波形

结束语：

综合而言，在本文研究过程中，通过对三电平LCL滤波器的深入分析，探讨LCL各个参数的变化是否会对滤波效果产生影响，并提出一种切实可行的优化设计方案，最后通过试验验证此种设计方案，最终的结果表明其具有较强实用性和可行性。

参考文献：

[1]蔡雨希，何英杰，陈涛，等.基于粒子群的三电平并网逆变器LCL滤波参数的高效精确设计方法[J].中国电机工程学报，2020，40（29）：6663-6674.

[2]王继忠，丁冠舒.三电平变流器LCL滤波器设计[J].电力电子技术，2012，46（09）：55-57.

[3]李泉峰，杨涛，吕征宇.基于PQR理论的三电平LCL滤波器优化设计[J].电力电子技术，2011，45（05）：27-28.