LCL滤波器稳定性分析

郭宝甫，王卫星，邓超然，徐 军，孙 芊

(1.国家电网许继集团有限公司，河南 许昌 461000; 2.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450000)

0 引 言

LCL滤波器比L滤波具有更好的滤波特性，在电感值相同的情况下，滤波效果更好，因此广泛应用在各种变流器中。但是LCL滤波器本身是三阶系统，存在谐振尖峰[1-3]。因此，必须对LCL滤波进行一定的处理。目前常见的处理手段主要是将电阻串联或者并联在LCL滤波的电容上。这种方式属于增加无源负荷，虽然可以在一定程度上削弱LCL的谐振尖峰，但是，引入无源负荷会降低LCL滤波器的高频特性[4]，并且会引入更多的热源，从而增大变流器散热难度，也会降低变流器的工作效率。

目前的研究方向主要是采用虚拟阻抗法实现对LCL谐振尖峰的抑制[5]。但是，LCL由于本身稳定性很差，采用虚拟阻抗法很可能需要进行复杂的调试工作；此外，如果变流器受到外界的干扰，则很容易出现不受控的情况。

1 采样方式对LCL滤波虚拟阻抗控制的影响

对于采用LCL滤波电路的变流器而言，在进行输出控制时，其电流电压的选择可从变流器侧或者电网侧进行选择。两种采样方式如图1所示。

图1 LCL滤波器示意图

为了分析两种采样方式的区别，本文利用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真实验。仿真模型将变流器设定为电流源，并采用直接并网的方式进行运行，因此，输出口的电压由电网系统决定，不受到变流器输出的影响。

1.1 从变流器侧采样

此时，图1所示的整个系统可以看做是采用电感为L1的L滤波器的变流器经过一个LC滤波器后接入电网。因此，此时的控制方式稳定裕度较大，整个系统容易稳定运行。此时，C和L2就可以看做是外加的LC滤波器，也可以看做是电网的阻抗。

图2 变流器侧采样控制得到的变流器输出电流

图3 变流器侧采样控制得到的变流器输出电压

图4 变流器侧采样控制得到的变流器功率输出情况

从图2～图4的仿真结果中可以看出，变流器输出电压和电流十分稳定，并没有出现谐振问题。说明在该采样点采样可以有效提高虚拟阻抗法稳定性。但是，仿真得到的电压电流存在一定的角度偏差，说明该方法需要变流器提供一定的无功补偿。

但是，由于闭环控制并没有直接从变流器出口进行采样，因此，可能会存在变流器实际输出功率与设定值有较大偏差等问题。

1.2 从网侧采样

从网侧采样，缺少对系统内部最可能出现谐振部分的控制，整个闭环控制的稳定性较差,容易出现内部震荡等问题，这也是LCL滤波需要解决的重要问题。但是，相应的，由于直接从变流器输出侧采样信号，因此，在变流器稳定运行时，可以很好地控制变流器输出的有功功率和无功功率。

图5 变流器侧采样控制得到的变流器输出电流

从图5所示的网侧采样仿真结果中，可以看出，从网侧采样，很难保证系统的稳定运行。本文认为造成该情况主要原因是变流器在进行PI控制时，缺少对输入LCL滤波器波形的控制，导致LCL滤波器中很容易出现谐振频率附近的谐波，从而导致整个滤波系统出现明显的谐振情况。

2 变流器功率偏移的解决方案

为了研究变流器功率偏移情况，本文首先分析造成变流器出现功率偏移的原因。图1所示的变流器并网系统中，变流器直接并联到电网系统中。因此，变流器并没有外接负载。

将LCL滤波器分解成L滤波以及CL负载。因此，可以看做负载的部分只有CL，如果把电感和电容当做理想器件，那么变流器侧采样得到的有功功率与变流器实际输出的有功功率应该是相同的，仅有无功功率存在一定的区别。

为了解决上述问题，本文分别采用开环和闭环控制两种方式补偿无功，并进行了仿真验证。

2.1 开环控制

由上文分析可知，如果采用变流器侧采样，则LCL滤波器可以分解成L滤波和CL负载，而CL负载的参数是已知的，这样可以计算得到无功功率，进而实现开环控制。

图6为LCL滤波器简化后的示意图，从图中可以得到式(1)。

(1)

从式(1)可以看出，由于采用虚拟阻抗法，Vin、i1、ic都是已知量，该式可以求得i2和uout。因此，可以求得电容和电感L2的无功功率Qc和Q2。此时，控制变流器侧输出无功为Qc+Q2就可以实现对无功功率的开环补偿。

开环补偿的仿真结果如图7所示。

从仿真结果看出，采用开环补偿可以较好的实现对变流器输出无功的补偿。但是开环控制存在对电路参数要求大等问题，在进行无功补偿时，需要根据变流器的实际参数进行微调。

2.2 闭环控制

考虑在工程实践中往往难以对每个变流器进行调试，因此，在控制策略上需要保证具有一定的稳定裕度，从而使得系统能够在一定参数误差范围内均能够稳定运行。

因此，本文在电流环的参考值确定上，引入变流器输出的有功和无功功率。通过改变L1输出电流的参考值，实现对变流器输出功率的控制。仿真结果如图8所示。

图8 闭环控制仿真结果

结合图7及图8的仿真结果，可以看出无论采用开环控制还是闭环控制，均可以较好的实现对输出无功功率的补偿，但是开环补偿方法需要较大的计算量，且对电路参数较为敏感，往往需要进行一定的调试。

3 结 论

本文针对LCL滤波电路容易出现谐振的问题，分析了在变流器侧进行电压电流采样及在网侧进行电压电流采样的稳定性区别，并针对变流器侧采样出现的功率偏移现象给出了解决方法，具有一定的工程意义。