电力电子变压器输入级LCL滤波研究

胡慧慧，王鲁杨，张 浩，陈 韬，吴承天

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

随着我国经济和社会的不断发展，对电网稳定、安全与经济运行的要求越来越高.传统变压器的体积较大，空载损耗量较高，功能比较单一，投入电力系统会带来很大的励磁涌流.［1］在智能电网中，电力电子变压器是重要的支撑设备，有较好的发展前景.它由实现磁耦合的高频变压器本体与电力电子变换拓扑构成，实现电力系统中的能量传递以及电压变换，其突出的特点是:可以灵活地控制变压器一次侧电流、二次侧电压及功率因数.［2］目前，国内大多数电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)的输入级均采用基于L型滤波器的整流器，但在功率等级较高的整流器中，L型滤波器滤波效果不够理想.鉴于LCL滤波器对高频分量呈高阻抗特性，对高频谐波电流有很大的衰减作用，滤波效果理想，本文提出了输入级采用LCL滤波的电力电子变压器.

1 PET各级电路控制方案

1.1 PET的基本结构

PET的基本拓扑结构分为交流—交流—交流变换器和交流—直流—交流—直流—交流变换器.前者的结构虽简单，但可控性不高，副边电压波形基本上是对原边电压波形的还原，仅幅值有差异，不能有效地控制流经PET的潮流;后者的结构虽复杂，但控制策略完善，能够保证原副边具有良好的电压电流波形，原边功率因数可控，实用性较高.

本文采用的结构如图1所示，［3］输入级采用三相电压型整流器，隔离级采用高频变压器实现升降压与隔离作用，输出级采用三相电压型全桥逆变器.

图1 PET拓扑结构

1.2 输入级设计

1.2.1 基于L滤波器的整流器的局限性

对于高性能的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)整流器，交流侧电抗器是一个至关重要的因素.这是由于交流侧电感不仅影响整流器电流环的静态和动态响应，还容易对输入电网引入的电压谐波进行干扰.

单电感L的整流器虽然控制简单，但其开关频率通常在2～15 kHz，会引入开关频率及其整数倍处的谐波，这种谐波会通过网侧电感注入电网，从而对敏感性负荷产生电磁干扰并且造成一定的损耗.［4］

在高电压和大功率的场合通常使用容量较大的整流器，为了减小损耗与电磁干扰，需要使用较低的开关频率，然而因为整流器在PWM调制的时候会引入开关频率及其整数倍处的谐波，如果选用的开关频率较低，那么产生的谐波频率也较低，若这时仍采用单电感L滤波则不能达到理想的滤波效果.

1.2.2 基于LCL滤波器的输入侧整流器

为了克服上述不足，本文提出了3阶LCL滤波器来取代原来的单电感L滤波器.

与L滤波器相比，LCL滤波器的阻抗值与流过的电流频率成反比，频率越高，阻抗则越小，从而滤除电流中的高频谐波，达到理想的滤波效果，在滤波作用相似的情况下，LCL滤波器的阻抗较小，可减小装置的体积，所以LCL滤波器在大功率场合有广阔的应用前景.但由于LCL滤波器的3阶传递特性存在谐振的可能，这将影响系统的稳定性，因而有必要研究控制策略来增强其稳定性.为此，本文采用三闭环控制策略，外环为直流侧电压控制环;中环为网侧电流控制环;内环为电容电流控制环.

1.2.3 三闭环控制策略研究

输入级的控制目标是网侧电流正弦、实现单位功率因数运行和整流输出直流电压可控.三闭环控制策略的原理如图2所示.

图2 三闭环控制策略原理示意

1.3 中间隔离级设计

中间隔离级从外部特性看是一级DC/DC变换器.这一级能实现隔离及直流升降压功能.

文献［5］提出对PET的隔离级施行占空比控制，这样不但会增加控制系统的复杂性，也会引入不必要的谐波.本文直接采用开环控制.这种控制方法方便解决同步问题，且控制系统简单.

1.4 输出级设计

输出级由三相电压型逆变电路和滤波单元构成，三相逆变电路的作用是将副边单相整流电路输出的低压直流电转化为三相工频交流电，采用的控制策略如图3所示.

图3 负载侧逆变器控制原理示意

2 仿真研究

在Matlab/Simulink中搭建输入级基于LCL滤波且三闭环控制的PET系统的仿真模型，如图4所示.

电网侧参数设置如下:三相对称电源电压峰值em=1 414 V，电网频率f0=50 Hz，LCL滤波器L1=1 mH，L2=0.5 mH，C=15 μF.高压直流侧参数设置如下:Cdc=4 700 μF，直流侧设定电压4 000 V.高频变压器参数设置如下:原、副边的电压变比为4 000 V∶600 V.低压直流侧参数设置如下:滤波电感10 mH，滤波电容3 500 μF，直流侧设定电压600 V.负载侧参数设置如下:滤波电感1 mH，滤波电容33 μF，负载额定线电压380 V，负载电阻 3.63 Ω.

图4 PET的整体仿真模型

图5为L滤波时的电网侧A相电压、电流波形，图6为LCL滤波时的仿真波形.

由图6a和图6b可以看出，输入级基于LCL滤波器的整流器对网侧电压进行整流，得到的直流侧电压为4kV.并使得网侧电流为正弦波，且与电压同相位，电网侧功率因数接近1.

由图6c可以看出，输出级经过三相电压型逆变器，输出稳定的低压供给负载.

图5 L滤波电网侧A相电压和电流波形

图6 LCL滤波时的仿真波形

对图6c中的负载A相电压波形进行FFT分析，总谐波畸变率为3.5%，可见提供给负载的电压纹波较小，实现了负载侧电压正弦化.

分别对采用L滤波和LCL滤波时的网侧A相电流进行FFT分析，前者的总谐波畸变率为7.72%，后者的总谐波畸变率仅为2.29%.由此可以看出，电力电子变压器输入级采用LCL滤波器，网侧电流纹波小，电流谐波得到了有效衰减，滤波效果理想，表明该方法提升了电力电子变压器的性能.

3 结语

本文提出了输入级采用LCL滤波器的电力电子变压器.由于LCL滤波器是3阶系统，自身存在谐振问题，容易导致系统不稳定，因此本文采用了直流侧电容电压、网侧电流和电容电流的三闭环控制策略.仿真结果表明，采用LCL滤波器有效抑制了网侧电流中的谐波成分，获得了较好输出性能，减小了装置对电网的污染.

［1］ 黄贻煜，毛承雄，陆继明，等.电力电子变压器在输电系统中的控制策略研究［J］.继电器，2004，32(6):35-39.

［2］ KANG M，ENJETI P N，PITEL I J .Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1999，14(6):1 133-1 141.

［3］ MANJREKAR M D，KIEFERNDORF R，VENKATARAMANAN G.Power electronic transformers for utility applications［C］∥Proceedings of the 2000 IEEE Industry Applications Conference.Rome:IEEE，2000(4):2 496-2 502.

［4］ LISERRE M，BLAABJERGF，HANSENS.Designand control of an LCL-filter based three-phase active rectifier［J］ .IEEE Transactions on Industry Applications，2005，41(5):1 281-1 291.

［5］ TAKAO K，HIGASHINO S.Parallel operation of voltage source inverters［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1988，24(2):281-287.