史成方

摘要： 隨著開關(guān)器件在變流器中的大量應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)造成了很大的諧波污染，為了減少污染，為了加快諧波的衰減，就在變流器和電網(wǎng)之間利用LCL濾波器來減小諧波產(chǎn)生的危害。本文分析建立了有源濾波電路的數(shù)學(xué)模型，提出了LCL濾波電路濾波，并指出了它比傳統(tǒng)濾波的優(yōu)點(diǎn)，分別對(duì)電路中的電感電容進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置。

關(guān)鍵詞：濾波器，有源電力濾波（APF），諧波污染

1.1 傳統(tǒng)濾波器的簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)濾波器電路結(jié)構(gòu)主要有三種[2]，分別為：四橋臂形式、電容中點(diǎn)形式以及三個(gè)單相全橋形式。其中電容中點(diǎn)式結(jié)構(gòu)的電路是很簡(jiǎn)單的，由于采用的開關(guān)個(gè)數(shù)比較少，相對(duì)來說利用率就比較高，但是電路的特殊結(jié)構(gòu)限制了它在較大的功率系統(tǒng)中的應(yīng)用。

相對(duì)來說，三相有源濾波需要的開關(guān)最多，電路可以根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行有效的組合，但在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，輸入直流端側(cè)就會(huì)產(chǎn)生大量諧波，電壓波動(dòng)較大。三個(gè)相互獨(dú)立的單相APF組成的三相有源電力濾波器的系統(tǒng)主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)。

1.2 有源電力濾波電路結(jié)構(gòu)

為了盡量克服傳統(tǒng)濾波器的缺點(diǎn)，降低電流的諧波，我們?cè)O(shè)計(jì)電路的時(shí)候在逆變器的交流側(cè)接入LCL濾波器，它跟獨(dú)立的電感濾波相比，在抑制諧波的時(shí)候不需要太高的電感值，同時(shí)在開關(guān)頻率很高的場(chǎng)合抑制諧波的性能也會(huì)變得更強(qiáng)，LCL濾波器無論是在經(jīng)濟(jì)上還是性能上都比電感濾波器強(qiáng)。在頻率不高的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，有著更多的優(yōu)點(diǎn)。

1.2.1 LCL濾波電路結(jié)構(gòu)

我們?cè)O(shè)計(jì)的電感電容電感型濾波器，它的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，在星型連接的電容之間是兩個(gè)不同的電感L和L1。逆變器是由全控器件組成的三相橋式逆變結(jié)構(gòu)，L1起著能量傳遞和濾波的作用，電感L和電容Cf僅僅起著濾波的作用。

為了方便研究，我們選取三相電路中的一相進(jìn)行分析，

由基爾霍夫定律可以得出下列方程：

（l）

1.2.2 數(shù)學(xué)模型

R與R1為電路中的等效的電阻抗。建立單相數(shù)學(xué)模型如圖2所示：

R與R1代表電感的等效電阻，在計(jì)算的時(shí)候其阻值一般不在我們考慮的范圍內(nèi)，由此可以得出輸入輸出的函數(shù)關(guān)系式： （2）

如果是純電感濾波器函數(shù)表達(dá)式為：

（3）

我們對(duì)比兩式可以看出，在兩種濾波器下，如果頻率ω0取值比較小的時(shí)候，G1（s）、G2（s）的值是基本無差別的。但是隨著ω0取值增大，G2（s）比G1（s）對(duì)諧波的抑制要差很多，由此可以看出在相同的負(fù)載下，頻率較大的時(shí)候，電感電容電感的濾波效果比純電感的好。

1.3 有源電力濾波器參數(shù)的設(shè)置

在設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，滿足抑制諧波的同時(shí)還要以提高功率因數(shù)和控制輸出電路為最終目的，還要防止電路產(chǎn)生不必要的諧振。我們以三相對(duì)稱的一相為研究目標(biāo)建立等效電路結(jié)構(gòu)。我們?cè)谘芯糠治龅臅r(shí)候通常是把電網(wǎng)的電壓等效為理想的，那么其中就只有基波分量，高次的諧波不存在，這樣就等價(jià)為電網(wǎng)電壓短路了，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電路短路等效電路

1.3.1 電容的參數(shù)設(shè)置

我們知道功率因數(shù)為：

（4）

有式子（5）可知，電容無功功率為QCF1，而系統(tǒng)的輸出額定功率是Poe在計(jì)算數(shù)值的時(shí)候我們會(huì)假定一個(gè)cosφ值，我們?nèi)≈禐閏osφ=0.995，我們就由頻率計(jì)算出電容的參數(shù)值：

（5）

1.3.2 電感L2的參數(shù)設(shè)置

在我們建立的數(shù)學(xué)模型中流過兩個(gè)電感的不同電流的比值，我們得出電流表達(dá)式：

I11（h）=I21（h）+jωhCF1UC1（h） （6）

在上式中，ωh=ωb*h。 為了降低抑制諧波造成電網(wǎng)的污染，3≤|■|，由此可以得出式（6）成立的條件：

（7）

對(duì)于并網(wǎng)的有效值電壓考慮電壓裕量我們?nèi)?.1，由于輸出的功率是一樣的，由P=UI知道電壓與電流成反比，在這種情況下，電感的值是最小的。

1.3.3 電感L1的參數(shù)設(shè)置

按照諧波標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[4]：

諧波的次數(shù)一般在23到35之間，此時(shí)電流為：I21（h）=0.006Iea；于是h>35的時(shí)候，電網(wǎng)的輸入電流 I21（h）=0.003Iea。對(duì)于逆變器的電流頻率跟開關(guān)器件的選擇及其本身的特性有關(guān)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電感的時(shí)候，主要針對(duì)h>35的諧波，在確定了電感各輸出端的電感后，我們就參考電感的最大值即： 此時(shí)：

（8）

輸入電壓的頻率在開關(guān)頻率的一半以下，為了防止電路發(fā)生諧振，我們就應(yīng)該使頻率的值定在：

（9）

得出每個(gè)值的參數(shù)后，由（9）為基準(zhǔn)，我們驗(yàn)證電路中的阻抗諧振點(diǎn)低于開關(guān)頻率的一半。我們?nèi)』l率為工頻，得出L1=400uH，L2=250uH，電容為10uF。

小結(jié)：我們對(duì)傳統(tǒng)濾波器和有源電力濾波器做了分析對(duì)比，提出了一種新的有源電力濾波方式LCL濾波，同時(shí)對(duì)電路中的電感電容的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置。得出了電路的等效結(jié)構(gòu)和輸入輸出的函數(shù)關(guān)系式，在對(duì)電感電容的值進(jìn)行設(shè)置的時(shí)候，主要以并網(wǎng)發(fā)電的需求為目標(biāo)進(jìn)行考慮的，最后的參數(shù)值還考慮了諧振。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].機(jī)械工業(yè)出版社，

2006.78-90

[2] 姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器[M].科學(xué)出版社，2005.90-95

[3] 沈輝，曾祖勤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.35-40

[4] 葉 穎.三相光伏并網(wǎng)逆變電源的研制[D].山東大學(xué)，2008.134-142