风电系统网侧LLCL 型滤波器特性分析及仿真研究

邵文权，张 毅，程 远，杨亚鹏，王建波

(1．西安工程大学电子信息学院，西安市710048;2．国网陕西省电力科学研究院，西安市710048)

0 引 言

在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的开发利用和研究已成为各国关注的焦点。风电作为一种洁净的绿色能源，有着优化能源结构、改善生态环境、促进社会经济可持续和谐发展等方面的优势［1］。随着风电技术的不断发展，我国电力系统中风电所占的比重越来越大［2-4］。风电系统中各类关键技术的研究成为热点，如风电系统的低电压穿越、变流器的控制策略优化、变流器的降损降噪研究等［5-8］。风电系统中的变流器开关频率相对较高，为了抑制风电系统变流器产生的高次谐波对电网的影响，目前在风电系统网侧通常采用L 型和LCL型滤波器来抑制谐波注入电网［9］，但是这2 种滤波器对开关频率附近的高次谐波抑制能力相对有限。因此研究适用于风电系统的新型滤波器拓扑结构及特性分析有利于进一步提高开关频率附近谐波的抑制性能。

目前已有学者结合光伏发电系统滤波器的应用需求提出了LLCL 型滤波器的拓扑结构［10-11］及实现谐振尖峰抑制的控制策略［12-13］，并对LLCL 型滤波器单相并网逆变器在不同滤波电感组合情况下的损耗计算进行了分析［14］。LLCL 滤波器在光伏系统的相关研究成果为风电系统滤波器的优化设计提供了重要的参考。

本文在风电系统网侧采用LLCL 型滤波器，对比分析L 型、LCL 型和LLCL 型滤波器的幅频特性，并定性分析这3 种滤波器对开关频率附近谐波的抑制效果。结合滤波器参数约束条件，以最大限度滤除开关频率附近谐波为目的，设计1 组LLCL 型滤波器的参数。实例仿真验证表明，在滤波器逆变器侧和网侧电感总量相同的情况下，采用LLCL 型滤波器能更好抑制开关频率附近的谐波。

1 风电系统结构模型

目前广泛采用交直交变流环节实现风电并网，其结构模型如图1。

图1 风电系统结构Fig.1 Structure of wind power system

逆变器工作时，开关器件将产生高频谐波，这类谐波主要集中在开关频率处及其整数倍处。电网中谐波的注入会严重影响电能质量，同时干扰系统内部及用户端的各类敏感设备。在现有广泛应用的L 型和LCL 型滤波器对开关频率附近谐波抑制效果相对有限的情况下，优化滤波器拓扑结构来实现开关频率附近谐波的有效抑制显得尤为重要。

2 滤波器特性分析

2.1 典型滤波器的结构

图2 为L 型、LCL 型和LLCL 型滤波器单相等效电路。图2(a)为L 型滤波器单相等效电路，即在输入和输出之间串入电感实现滤波。图2(b)为LCL滤波器单相等效电路，相对于L 型滤波器，LCL 滤波器增加了滤波电容Cf和网侧滤波电感Lg。在逆变器开关频率较高的情况下电感支路的阻抗较大，电容支路阻抗较小，并联的电容支路可以将逆变器输出的高频谐波分量旁路，从而有效降低注入电网电流Ig中的谐波电流分量。图2(c)为LLCL 滤波器的单相等效模型，其结构在传统的LCL 滤波器基础上，在电容支路串联1个小电感Lf和电容Cf组成1个串联谐振电路，将谐振频率设置为逆变器的开关频率，从而实现更大程度地抑制旁路开关频率附近的谐波。

图2 滤波器单相等效电路Fig.2 Single-phase equivalent circuit of filters

2.2 滤波特性对比

经过LCL 型和L 型滤波器注入电网的电流Ig与逆变器输出端电压Ui之间的函数关系［15］分别为

经过LLCL 滤波器注入电网的电流Ig与逆变器输出电压Ui之间的函数关系［16］为

为比较L 型和LCL 型滤波器的滤波效果，令总电感LT=L +Lg，使得LCL 滤波器和L 滤波器的总电感量相等。绘制LCL 滤波器和L 滤波器的伯德图，如图3 所示。

从图3 可知:在低频范围内，L 型和LCL 型滤波器滤波效果相同，此时，LCL 型滤波器可以等效为总电感量为LT的L 型滤波器;在高频范围内，LCL 型滤波器的衰减效果更好，因此在总电感量相同情况下，LCL型比L 型滤波器对高频分量具有更好的抑制特性。

当LCL 滤波器与LLCL 滤波器参数设置相同时，其传递函数的伯德图如图4 所示。

图3 相同总电感值的L 型、LCL 型滤波器伯德图Fig.3 Bode diagram of LCL and L filter with same total inductance value

图4 相同参数的LCL 型、LLCL 型滤波器伯德图Fig.4 Bode diagram of LCL and LLCL filter with same parameters

从图4 可以看出:在0 ～0.5 fres1频段内，LCL 滤波器和LLCL 滤波器对谐波的作用效果相似;在0.5 fres1～1.5 fres1频段内，LLCL 滤波器对谐波的作用效果优于LCL 滤波器;在高于1.5fres1频段，LLCL 滤波器的对谐波的作用效果相对较弱。

由于LCL 型和LLCL 型滤波器的幅频特性曲线都存在谐振尖峰，即系统在某一频率附近会发生振荡。为了抑制系统的这种振荡，通常采用无源阻尼或有源阻尼的方法，实际工程中常采用在电容支路上串联阻尼电阻的方法来消除系统谐振。根据带有阻尼电阻的LCL 型和LLCL 型滤波器的传递函数［17］绘制相应的伯德图，如图5 所示。

加阻尼电阻之后LCL 滤波器的幅频特性曲线如图5(a)所示，其中谐振峰值下降明显，高频谐波的衰减效果减弱。图5(b)中的有阻尼的LLCL滤波器的幅频特性曲线谐振峰值降低，但是电容支路串联谐振频率fres1附近的谐波衰减效果也被削弱。

3 LLCL 滤波器的参数设计

对于LLCL 滤波器的参数整定，需要考虑多方面的因素，既要有好的滤波效果，又要有利于系统的稳定。

图5 带阻尼时滤波器的伯德图Fig.5 Bode diagram of filters with damping resistor

3.1 滤波电容的约束

LLCL 滤波器的滤波电容要求限制电容吸收的基波无功功率不能高于系统有功功率的5%，从而保证系统有较高的功率因数，由此可以得到滤波电容的约束条件为

式中:P 为系统的有功功率;Em为电网电压峰值;fs为电网频率［18］。

3.2 串联谐振电感的计算

为了最大限度地滤除开关频率附近的谐波，将电容支路的串联谐振频率确定为逆变器的开关频率。由此计算得到谐振电感的约束条件为

式中fsw为系统开关频率。

3.3 滤波电感的确定

电感值LT的选取应满足系统在具有较好的滤波效果的前提下，既能保持系统的快速性，又能保证系统具有良好的跟踪效果。由此得到LT的约束条件为

式中:Udc为直流母线电压;Iripple·max为纹波电流;Imp为电网电流峰值［9］。

3.4 系统谐振频率的约束

由于逆变器输出电流中主要包含基波和开关频率附近的谐波，且开关频率远大于基波频率，因此，合理约束基波频率、开关频率和滤波器谐振频率之间的关系便能最大限度避免谐振的发生。

采用LLCL 滤波器时系统的谐振通常采用无源阻尼来抑制，而添加阻尼电阻会削弱开关频率附近的谐波衰减效果，同时增加系统损耗，为更好地凸显LLCL 滤波器的滤波特性，本文采用无阻尼的LLCL滤波器，其中谐振频率的范围［18-19］应满足:

式中

4 仿真验证

为验证LLCL 滤波器对开关频率附近谐波的抑制效果，利用PSCAD/EMTDC 软件搭建直驱式风电系统仿真模型。仿真参数:系统额定容量1.5 MW，电网线电压690 V，直流母线电压1 100 V，开关频率10 kHz。

由于LCL 滤波器对高频谐波的抑制效果比L 滤波器好，所以只比较LLCL 滤波器和LCL 滤波器的效果。按照文中的约束条件计算1 组LCL 滤波器和LLCL 滤波器的参数，滤波器具体参数如表1 所示。

表1 LCL、LLCL 滤波器的参数Table 1 Parameters of LCL filter and LLCL filter

分别对表1 中参数所对应的2 种滤波器进行仿真验证，得到滤波器输出A 相电流波形如图6 所示。

从图6 中可看出，在2 种滤波器的网侧电感取值和逆变器侧电感取值均相同的情况下，采用LLCL 滤波器滤波后的网侧电流波形纹波含量明显较少。为进一步验证2 种滤波器的滤波效果，分别对2 种滤波器滤波后的网侧电流进行频谱分析并计算谐波畸变率γTHD，如图7 所示。

由图7 可知:采用LLCL 型滤波器滤波后的网侧电流在开关频率处谐波含量较少，同时LCL 滤波器滤波后网侧电流THD 为3.25%，而LLCL 滤波器滤波后的网侧电流THD 为1.9%。结果表明采用LLCL 型滤波器对于开关频率附近谐波抑制效果更好。

图6 LCL、LLCL 滤波器输出电流波形Fig.6 Output current waveform of LCL fitter and LLCL fiter

图7 LCL、LLCL 滤波器网侧输出电流频谱分析Fig.7 Spectrum analysis of grid-side output current of LCL filter and LLCL filter

5 结 论

本文针对风电系统网侧采用L 型、LCL 型滤波器抑制开关频率附近谐波的能力相对有限，提出了在LCL 滤波器的电容支路串接小电感实现开关频率处谐振的LLCL 型滤波器;定性对比分析了L 型、LCL型及LLCL 型滤波器的特性，并设计了LLCL 型滤波器参数。PSCAD 的仿真分析表明，在滤波器逆变器侧和网侧电感总量相同的情况下，采用LLCL 型滤波器由于其串联谐振支路实现了对开关频率附近谐波最大程度的抑制，滤波后网侧输出电流的谐波畸变率更小，尤其是开关频率附近的谐波含量更小，表明了LLCL 滤波器对网侧谐波的抑制性能优于L 型、LCL型滤波器。

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