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用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法

阅读：55发布：2021-02-26

IPRDB可以提供用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法，属于电工领域，所述参数选择方法包括确定单相LCL等效电路，获取等效电路的传递函数表达式；基于传递函数表达式确定LCL滤波参数，以及与每项参数对应的约束条件；在满足约束条件的基础上依次对每项LCL滤波参数进行设定，完成滤波参数选择过程。通过构建预设的参数选择约束条件，进而求得满足约束条件的滤波参数，能够提高三电平滤波器在高低频段的增益效果，同时还能降低因谐振带来系统稳定性下降的缺陷。，下面是用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法，其特征在于，所述参数选择方法，包括：确定单相LCL等效电路，获取等效电路的传递函数表达式；

基于传递函数表达式确定LCL滤波参数，以及与每项参数对应的约束条件；

在满足约束条件的基础上依次对每项LCL滤波参数进行设定，完成滤波参数选择过程。

2.根据权利要求1所述的用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法，其特征在于，所述确定单相LCL等效电路，获取等效电路的传递函数表达式，包括：在单相LCL等效电路中包括有变流器侧电感L1、网侧电感L2、滤波电容C和阻尼电容Rd；

基于单相LCL等效电路中包括的元件，在忽略阻尼电阻的条件下，得到如公式一所示的等效线路传递函数表达式

3.根据权利要求1所述的用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法，其特征在于，所述基于传递函数表达式确定LCL滤波参数，以及与每项参数对应的约束条件，包括：变流器侧电感L1的取值、电感成本、阻尼电阻的取值、谐振频率。

4.根据权利要求3所述的用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法，其特征在于，所述在满足约束条件的基础上依次对每项LCL滤波参数进行设定，完成滤波参数选择过程，包括：构建稳态条件下总电感约束条件；

构建忽略网侧电感压降情况下电容约束条件。

5.根据权利要求4所述的用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法，其特征在于，所述构建稳态条件下总电感约束条件，包括：定义如公式二所示的三电平变流器的开关函数表达式基于电流值ia的求导，得到如公式三所示的求导运算结果式中L为总电感取值，Vdc为线路压降，Ria为线路总阻值，Sa为a相电流对应的开关函数；

忽略交流侧电阻R的影响，对公式三进行简化，得到公式四基于公式四获取如公式五所示稳态条件下总电感的约束条件式中Im为线路最大电流值，ω为角频率，fn为额定频率，Ts为时间间隔。

6.根据权利要求4所述的用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法，其特征在于，所述构建忽略网侧电感压降情况下电容约束条件，包括：为遵循无功功率低于额定功率5％的限制，在忽略网侧电感压降的前提下，存在压降Uc与Un近似相等的情况，因此有电容约束条件为式中，Pn为额定功率。

说明书全文

用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法

技术领域

[0001] 本发明属于电工领域，特别涉及用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法。

背景技术

[0002] 目前，电力系统中消除谐波的一种有效的手段就是使用滤波器，无源滤波器和有源滤波器是两种常用的治理方法。无源电力滤波器虽结构简单，价格较低，但也存在其固有不足：易产生谐振危险、只能消除设计规定的谐波成分，通用性差、负载量过大时，可能引起无源电力滤波器自身过载而损坏等等。鉴于无源滤波器的缺点，提出了有源滤波技术。

[0003] 当前的有源滤波器在用于LCL滤波时，尚无法需要对滤波参数进行较为准确的估计，由此导致LCL滤波的效果受到较大影响。

发明内容

[0004] 为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了对LCL滤波过程中多个影响因素设定约束条件，进而求得满足约束条件的滤波参数的用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法。

[0005] 为了达到上述技术目的，本发明提供了用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法，所述参数选择方法，包括：

[0006] 确定单相LCL等效电路，获取等效电路的传递函数表达式；

[0007] 基于传递函数表达式确定LCL滤波参数，以及与每项参数对应的约束条件；

[0008] 在满足约束条件的基础上依次对每项LCL滤波参数进行设定，完成滤波参数选择过程。

[0009] 可选的，所述确定单相LCL等效电路，获取等效电路的传递函数表达式，包括：

[0010] 在单相LCL等效电路中包括有变流器侧电感L1、网侧电感L2、滤波电容C和阻尼电容Rd；

[0011] 基于单相LCL等效电路中包括的元件，在忽略阻尼电阻的条件下，得到如公式一所示的等效线路传递函数表达式

[0012]

[0013] 可选的，所述基于传递函数表达式确定LCL滤波参数，以及与每项参数对应的约束条件，包括：

[0014] 变流器侧电感L1的取值、电感成本、阻尼电阻的取值、谐振频率。

[0015] 可选的，所述在满足约束条件的基础上依次对每项LCL滤波参数进行设定，完成滤波参数选择过程，包括：

[0016] 构建稳态条件下总电感约束条件；

[0017] 构建忽略网侧电感压降情况下电容约束条件。

[0018] 可选的，所述构建稳态条件下总电感约束条件，包括：

[0019] 定义如公式二所示的三电平变流器的开关函数表达式

[0020]

[0021] 基于电流值ia的求导，得到如公式三所示的求导运算结果

[0022]

[0023] 式中L为总电感取值，Vdc为线路压降，Ria为线路总阻值，Sa为a相电流对应的开关函数；

[0024] 忽略交流侧电阻R的影响，对公式三进行简化，得到公式四

[0025]

[0026] 基于公式四获取如公式五所示稳态条件下总电感的约束条件

[0027]

[0028] 式中Im为线路最大电流值，ω为角频率，fn为额定频率，Ts为时间间隔。

[0029] 可选的，所述构建忽略网侧电感压降情况下电容约束条件，包括：

[0030] 为遵循无功功率低于额定功率5％的限制，在忽略网侧电感压降的前提下，存在压降Uc与Un近似相等的情况，因此有电容约束条件为

[0031]

[0032] 式中，Pn为额定功率。

[0033] 本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

[0034] 通过构建预设的参数选择约束条件，进而求得满足约束条件的滤波参数，能够提高三电平滤波器在高低频段的增益效果，同时还能降低因谐振带来系统稳定性下降的缺陷。

附图说明

[0035] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0036] 图1是本发明实施例提供的用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法的流程示意图；

[0037] 图2是本发明实施例提供的单相LCL等效电路；

[0038] 图3(a)是本发明实施例提供的负载电流的波形图；

[0039] 图3(b)是本发明实施例提供的输出电流的波形图；

[0040] 图3(c)是本发明实施例提供的采用L滤波器后的系统电流波形图；

[0041] 图3(d)是本发明实施例提供的采用LCL滤波器后的系统电流波形图。。

具体实施方式

[0042] 为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

[0043] 实施例一

[0044] 本发明提供了用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法，如图1所示，参数选择方法，包括：

[0045] 11、确定单相LCL等效电路，获取等效电路的传递函数表达式；

[0046] 12、基于传递函数表达式确定LCL滤波参数，以及与每项参数对应的约束条件；

[0047] 13、在满足约束条件的基础上依次对每项LCL滤波参数进行设定，完成滤波参数选择过程。

[0048] 在实施中，有源电力滤波器要求具有较高的补偿带宽和较低的开关纹波电流，LCL滤波器可以兼顾高频段的衰减和低频段的增益，在同样的开关频率下，LCL所需电感更小，可以有效减小系统体积和成本，但LCL是一个三阶系统，需要增加阻尼环节来防止谐振，来保证系统的稳定性。

[0049] 三电平有源电力滤波器(Active power filter，APF)的LCL包括：变流器侧电感L1，网侧电感L2，滤波电容C和阻尼电阻Rd，忽略阻尼电阻前提下，可得如图2所示的单相LCL等效电路，图2中，UI是变流器输出的相电压，Us系统电压，L1是变流器侧滤波电感，L2是系统侧滤波电感，C是滤波电容，它们构成了LCL的基本结构，网侧电感和电容对高频纹波电流提供一个低阻抗通道，使得并网电流中的高频纹波大大减少。

[0050] 可选的，所述确定单相LCL等效电路，获取等效电路的传递函数表达式，包括：

[0051] 在单相LCL等效电路中包括有变流器侧电感L1、网侧电感L2、滤波电容C和阻尼电容Rd；

[0052] 基于单相LCL等效电路中包括的元件，在忽略阻尼电阻的条件下，得到如公式一所示的等效线路传递函数表达式

[0053]

[0054] 在实施中，基于图2所示的等效电路，构建如公式一所示的传递函数表达式。对于高频谐波，G1(s)≈1/L1s，可知，L1的选取非常重要，参考lEC 6100-3-4标准，33次谐波明幅值要小于0.6％基波，应用于上式可得到|H21(s＝jωsw)|≤0.006,同理尽可能减小G2i(s)和H21(s)。Gl(s)和GZ(s)的幅频特性相同，这说明开关频率纹波电流完全由L1决定。

[0055] 可选的，所述基于传递函数表达式确定LCL滤波参数，以及与每项参数对应的约束条件，包括：

[0056] 变流器侧电感L1的取值、电感成本、阻尼电阻的取值、谐振频率。

[0057] 在实施中，从电路角度分析，对于高频分量，滤波电容相当于短路，C与L2的并联阻抗接近于零，i1由L1，自身感抗决定。所以，L1的设计主要考虑对i1纹波电流的抑制。

[0058] 减小电感成本将造成逆变器输出电压损失、减小低频段增益，而变流器的最大交流输出电压有限，因此总电感量在具体应用中是一个确定的约束条件。

[0059] 电感的设计主要考虑电流追踪能力和抑制开关纹波电流的需要。电感越小，APF的电流跟踪性能越好，动态响应速度越快。电感越大，LCL滤波器抑制纹波电流的能力越强。因此需要综合考虑L的取值范围。考虑到经济成本和系统体积，应尽可能的降低电感值。

[0060] 防止谐振，采用电容支路串联阻尼电阻是一种常用的做法。过大的阻尼电阻将导致出现实数极点，从而导致LCL对所有频率电流的衰减，影响SAPF的补偿性能。选取较小的阻尼电阻可以减少系统损耗，但过小的阻尼电阻又可能影响系统的稳定性。

[0061] 与常规的PWM整流器不同的是，APF具有一个较大的带宽，需要同时考虑低频电流的增益和对高频纹波电流的抑制，因此LCL滤波器的谐振频率一般需要根据APF需要补偿的谐波电流的最高次数来选择。

[0062] 可选的，所述在满足约束条件的基础上依次对每项LCL滤波参数进行设定，完成滤波参数选择过程，包括：

[0063] 构建稳态条件下总电感约束条件；

[0064] 构建忽略网侧电感压降情况下电容约束条件。

[0065] 在实施中，构建稳态条件下总电感约束条件，包括：

[0066] 定义如公式二所示的三电平变流器的开关函数表达式

[0067]

[0068] 基于电流值ia的求导，得到如公式三所示的求导运算结果

[0069]

[0070] 式中L为总电感取值，Vdc为线路压降，Ria为线路总阻值，Sa为a相电流对应的开关函数；

[0071] 忽略交流侧电阻R的影响，对公式三进行简化，得到公式四

[0072]

[0073] 基于公式四获取如公式五所示稳态条件下总电感的约束条件

[0074]

[0075] 式中Im为线路最大电流值，ω为角频率，fn为额定频率，Ts为时间间隔。

[0076] 构建忽略网侧电感压降情况下电容约束条件，包括：

[0077] 为遵循无功功率低于额定功率5％的限制，在忽略网侧电感压降的前提下，存在压降Uc与Un近似相等的情况，因此有电容约束条件为

[0078]

[0079] 式中，Pn为额定功率。

[0080] 除了前文中电感比例给出的两套约束条件外，还需要考虑传递函数G1i(s)包括3个极点和2个零点：

[0081]

[0082] 显然，当λ变大时，极点远离零点，将增大超调幅值，影响LCL的稳定性。定义L2＝λL1

[0083]

[0084] 当λ＝1时，得最小值，系统滤波效果最好。

[0085] 考虑到谐振频率限制，通过L滤波器的电流既有低频谐波电流还有高频开关纹波电流。如果选取以一个较低的谐振频率fres,将影响低频电流的增益，导致补偿效果不佳。为避免电网电流畸变，谐振频率fres应该尽量取高值。而过高的谐振频率会影响滤波器对纹波电流的抑制能力。因此，与常规的PWM整流器不同，有源电力滤波器的LCL谐振频率应该在最高补偿谐波次数和一半的开关频率之间，从而来保证APF系统的低频电流增益和对高频纹波电流的衰减能力。

[0086] 由前文分析、提出的设计原则和约束条件，LCL滤波器的设计流程可以参考下图进行：

[0087] 确定需要补偿谐波的最高次数为k，截止频率ωc>kωn，ωres>kωn/0.3(ωn是基波频率)考虑谐波补偿和谐振因素一般取:ωres＝kωn/0.25＝4kωn，同时为了抑制开关纹波和防止低次谐波放大，开关频率应该满足ωsw≥2ωres。即kωn/0.3<ωres<0.5ωsw，更高的开关频率可以获得更好的谐波补偿特性，但会增加更多的损耗，因此一般取谐振频率为1/2开关频率。

[0088] 设定好ωres后，根据系统的功率、电压，计算系统的基础阻抗，感抗和容抗。Zb＝En/Pn，Cb＝1/ωn Zb，Lb＝Zb/ωn。

[0089] 由上知在L1＝L2时候，LCL滤波器的谐振频率最小，抑制纹波能力最强，因此一般推荐用L1＝L2，rx＝2(ωn/ωres)2＝2(1/4k)2经计算得：

[0090] L1＝L2＝1/2∏fresC

[0091] 参数校验：将设计得到值代入约束条件，若满足约束条件，则设计完毕，否则，代入3，改变r和x比例关系，直到满足。

[0092] 图3是系统在L和LCL滤波器下不同仿真结果，图3(a)和图3(b)分别为补偿前系统谐波电流畸变率71.05％，经带L滤波器的APF补偿后，如图3(c)可见畸变率变为6.27％，而经带LCL的APF补偿后，如图3(d)畸变率下降为2.48％，这一现象表明，LCL滤波器能充分抑制系统纹波电流。

[0093] 本发明提供了用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法，所述参数选择方法，包括确定单相LCL等效电路，获取等效电路的传递函数表达式；基于传递函数表达式确定LCL滤波参数，以及与每项参数对应的约束条件；在满足约束条件的基础上依次对每项LCL滤波参数进行设定，完成滤波参数选择过程。通过构建预设的参数选择约束条件，进而求得满足约束条件的滤波参数，能够提高三电平滤波器在高低频段的增益效果，同时还能降低因谐振带来系统稳定性下降的缺陷。

[0094] 上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

[0095] 以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

标题	发布/更新时间	阅读量
数字滤波器-专利编号CN102291102B	2020-05-11	366
数字滤波器-专利编号CN107623507A	2020-05-11	406
数字滤波器-专利编号CN106664077A	2020-05-11	831
数字滤波器-专利编号CN101326715B	2020-05-12	1019
数字滤波器-专利编号CN1366650A	2020-05-13	872
波形数字滤波器-专利编号CN1404589A	2020-05-11	576
数字示波器-专利编号CN101839929B	2020-05-12	412
数字滤波器-专利编号CN101277102B	2020-05-12	930
数字滤波器-专利编号CN106664077B	2020-05-13	376
数字滤波器-专利编号CN101326715A	2020-05-13	173

用于三电平滤波器的LCL滤波参数选择方法

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