基于二端口网络分析的三相PWM逆变系统 LC滤波器研究

王耀昕,郭 彤,盛玉和

(1.哈尔滨电气国际工程有限责任公司,哈尔滨 150028;2.深圳棕榈泉会所管理有限公司工程部,广东 深圳 518000;3.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030)

基于二端口网络分析的三相PWM逆变系统 LC滤波器研究

王耀昕1,郭 彤2,盛玉和3

(1.哈尔滨电气国际工程有限责任公司,哈尔滨 150028;2.深圳棕榈泉会所管理有限公司工程部,广东 深圳 518000;3.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030)

为解决三相PWM逆变系统开关高频开断存在冲击较大和高次谐波电流问题,通常需要设计逆变器输出侧LC滤波器,同时对LC滤波器的参数要求较高。对此,笔者从三相PWM逆变系统LC滤波器的原理出发,提出采用二端口网络分析法,建立三相PWM系统LC滤波器的数学模型和等效电路,以优化设计LC电路参数。通过在MATLAB环境下搭建仿真平台及进行仿真实验，验证了设计的LC滤波电路的有效性。

二端口网络分析;PWM逆变系统;LC滤波器;MATLAB仿真

交流三相电压源逆变器广泛采用的脉冲宽度调制(PWM)技术控制方式是对逆变电路中开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等但脉冲宽度不等的脉冲,也就是在输出波形周期中产生多个脉冲,通过调节脉冲宽度使等值电压为正弦波形,来代替正弦波或所需要的波形。然而PWM逆变器直接与系统连接存在着一些问题,一方面PWM电压的dV/dt很大,给系统绝缘造成较大压力,当连接电机时,三相PWM电压的共模分量会导致电机轴承电流不稳,影响电机使用寿命甚至损坏电机[1]。另一方面,由于PWM调制技术的技术特性,决定了逆变器输出的交流电能中含有较多的高次谐波分量,该类谐波分量的存在将直接影响交流电力品质[2]。鉴于这两方面原因,通常需要在逆变器的输出侧设置LC滤波器,以解决冲击较大问题并优化交流电力品质。但是LC滤波器的接入会影响逆变器输出电流和电压,所以系统对LC滤波器的参数设计要求较高,以避免因设计不当,产生LC的谐振问题[3]。本文以三相四线PWM逆变系统的LC滤波器为研究对象,提出采用二端口网络分析法,建立LC滤波器的数学模型和等效电路,完成对LC滤波器参数的优化设计。同时,在MATLAB环境下搭建仿真平台进行仿真试验,以验证所分析设计的LC滤波电路的有效性。

1 三相四线PWM逆变系统LC滤波器基本结构

交流三相电压源变流器的拓扑方案主要有两种:一种是三桥臂的变流器,它的第四路交流中性线直接连在直流母线的电器中性点上;另一种是四桥臂的变流器。三相四线LC滤波器的基本结构主要有星形结构和三角形结构,两种结构通过参数调整可以等效,因此本文主要研究星形结构的三相四线LC滤波器,其基本结构如图1所示。

图1 星形结构的三相四线LC滤波器

从图1可以看出,星形结构三相四线LC滤波器功率级部分主要由四桥臂和LC滤波器电路组成。四桥臂电压源变流器的四个桥臂分别由四对全控型功率器件组成,控制信号由控制器发出PWM控制信号,通过控制开关的高频通断实现对输出电压的控制。输出电流经LC滤波器电路连接到电网,LC滤波器电路的主要作用就是对输出电流的高次谐波进行滤除。

2 基于二端口网络的LC滤波器分析

LC滤波器电路二端口网络如图2所示。

由于交流三相系统的对称性,在输出部分三相之间没有耦合关系,因此将逆变器出口的交流三相系统转换为等效的单相系统,即对LC滤波电路的分析,也可以将三相电路简化为对单相电路进行分析。

在图2中,I1和I2分别为输入和输出电流,标示的电流方向为参考方向,通过两个端口上的电压值分别为U1和U2。根据齐性定理和叠加定理,I1和I2应为U1和U2的线性组合,即[4]

式中系数为此二端口的导纳参数,矩阵形式为

图2 LC滤波器电路二端口网络分析图

设图2(a)中的电阻值为R,电感值为L,电容值为C,通过对图2(a)列节点电压方程 解得

得到这个二端口网络的导纳参数矩阵为

图2(a)的传输参数方程为

(1)

根据这个导纳参数矩阵求得这个二端口网络的传输参数方程为

(2)

LC滤波器电路一端口网络如图3所示。

图3 LC滤波器电路一端口网络分析图

从图3(b)输出端口看,它是线性含独立源的一端口网络,可用戴维南电路等效。其中,Uoc是从输出端口看的等效电源,Zo是从输出端口看的等效阻抗。

通过式(1)和式(2)求得Zo和Uoc:

其中Us是从输出口看的存在电源,根据简化后的电路可求变流器的输出电压。经过这个续流滤波二端口网络后,输出电流I2与参考电压U1的关系为

U1=Us,得到输出电流-I2为

由此可以看出:当输出电路参数固定后,输出电流值是关于相对于输出电路的输入电压U1和输出电压U2的一个函数。

3 LC滤波器参数的设计

PWM逆变系统工作于高频PWM模式下,PWM逆变系统电压的dV/dt很大,会对系统造成冲击,并且高开关频率会产生对电网谐波的污染,其输出电流会对电网产生不良的谐波影响。因而必须在PWM逆变器的输出侧加低通滤波器来减小谐波含量,使输出的波形达到平滑的正弦波形,减少谐波对电网以及负载的影响。传统的电网侧滤波器为L滤波器[5],其中电感L将高频电流限制在一定的范围内,减少了对电网的危害。这种方式存在一些缺点,如随着功率的提高,所需电感值过大,动态性能不是很理想,会造成体积过大或成本过高等问题。因此本文采用LC滤波器来抑制电流谐波,其中的串联电阻可以起到抑制冲击电流的作用。为达到同等的滤波效果,设计LC滤波器电感量比L滤波器小很多[6]。

滤波器中L和C的参数选取,以及对LC滤波器的优化是LC滤波器设计的重点。首先考虑滤波器的截止频率,这样可以消除逆变器输出电压中高于截止频率的低次谐波。但是仅依据截止频率还不能确定滤波器的参数,还需综合考虑滤波器的功率容量、体积等要素对逆变器的功率密度、重量、性价比等指标的影响[7]。

为使图2(a)LC滤波输出电路起到对输出电压进行滤波的作用,滤除开关所带来的高次谐波,设其中电感值为L、电阻值为R、电容值为C,其传递函数为

系统开关频率越高,PWM逆变器的输入谐波频率就越高,相对的滤波器开关频率越大。LC滤波器的参数设计方法有很多,本文使用BODE图分析法对LC滤波器电路进行优化设计,假设该电路的开关频率为10 kHz,可得LC滤波器参数电感及电容的设计值为:L=2 mH;R=4;C=60 μF。

LC滤波器输出电路的截止频率为3 kHz,在10 kHz处系统增益比已达到-20 dB,可以对开关频率为10 kHz所引入的的高次谐波进行滤除,这说明该LC滤波器可较好地对高频分量起到抑制作用。

4 仿真分析

在MATLAB环境下搭建该问题的仿真平台(仿真电路见图1),三相PWM逆变系统通过LC滤波器进行输出,分别记录LC滤波器前后的输出电流,如图4所示,上图为三相PWM逆变系统LC滤波器前的输出电流,下图为通过LC滤波器后的输出电流。

从图4可以看出,该系统所带的高频谐波电流通过LC滤波器后,基本被消除；通过二端口网络分析法,建立的LC滤波器数学模型可较好反映LC滤波器的物理本质,其设计的LC滤波器的参数可以平滑PWM电压dV/dt的冲击,并对PWM高频开断引发的高频谐波电流具有较强的抑制效果。

图4 PWM系统的输出波形

[1] 宋强,刘文华,严干贵,等. 大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计[J].清华大学学报:自然科学版,2003,43(3):345-348. SONG Qiang, LIU Wenhua, YAN Gangui, et al. LC filter design for high-power PWM voltage source inverter [J]. Journal of Tsinghua University, 2003,43(3):345-348.

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(责任编辑 郭金光)

Research on LC filter in three-phase PWM inverter system based on two-port network analysis

WANG Yaoxin1, GUO Tong2, SHENG Yuhe3

(1.Harbin Electric International Company Limited, Harbin 150028, China; 2. Palm Springs Holdings, Shenzhen 518000, China;3. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China)

Since greater impact and higher harmonic current always took place when the switch under high-frequency current broke in three-phase PWM inverter system, the LC filter at the inverter output side were required to design with higher requirement for LC filter parameters. Aiming at these problems, the author proposed to adopt two-port network analysis based on the principle of LC filter in three-phase PWM inverter system. It is a method that established the simulation platform under MATLAB based on the design of LC circuit parameters through the deduced mathematical model and equivalent circuit of LC filter in three-phase PWM inverter system. Through the simulation under MATLAB, the effectiveness of the designed LC filter circuit was verified.

two-port network analysis; PWM inverter system; LC filter; MATLAB simulation

2015-06-22。

王耀昕(1971—),男,硕士研究生,高级工程师,研究方向为电厂发电效率。

TM464

A

2095-6843(2015)06-0524-04