基于LCL滤波的AFE在船舶变频器的应用

魏玲玲

（湖南工贸技师学院，湖南 株洲 412001）

0 引言

在电力推进船舶中，大功率的船舶电力推进系统作为主要的非线性负载，对船舶电力系统造成谐波污染，严重时影响船舶电机、通信导航设备、仪器仪表设备等正常运行。船舶电站较陆用电站容量小且脆弱，控制船舶电网的THD（Total Harmonic Distortion，总谐波失真）在船舶电力推进系统设计中至关重要[1]。各国船级社要求船舶低压配电网中电压的THD<5%，有的甚至对单次谐波含量作出明确限定。

网侧前端采用PWM整流控制可实现单位功率因数运行、降低船舶电网THD及对电网友好等优势。传统AFE网侧采用L滤波器，为满足并网谐波要求，需较大电感值，增加损耗、成本以及影响系统响应的快速性。LCL滤波较L滤波在成本、降低THD、控制系统快速性等方面的优势明显[2]，但LCL滤波器本身的三阶系统易引起谐振，需增加阻尼消除谐振影响[5，6]。

本文主要就基于LCL的AFE的应用问题进行详细参数设计和仿真研究，首先介绍AFE的拓扑结构；其次详细分析了并网LCL滤波器幅频特性，推导了LCL滤波的AFE数学模型；最后以船舶变频器为例对LCL滤波器参数进行设计，并通过Matlab/Simulink对系统进行仿真，综合验证LCL滤波的AFE方案的优越性。

1 AFE拓扑结构

船舶电力推进变频器网侧前端AFE整流系统主电路如图1所示，系统由前级Lg、Cf、Lf构建LCL滤波器和后级PWM整流器构成。Rg和Rf在实际中非常小，进行控制时可忽略不计。AFE与多脉波整流的区别即为采用全控型IGBT器件取代整流二极管，构建与逆变器模块结构一致的整流变流器，仅将输入输出进行对调。

图1 LCL滤波的AFE主电路拓扑

图中，Lg为网侧电感；Rg为Lg的寄生电阻；Lf为变流器侧电感；Rf为Lf的寄生电阻；C1为滤波电容（此处为△接法，转换为Y接法为Cf，且C1=Cf/3）；Cd为直流母线电容；RL为负载电阻；es为模拟船舶电网三相电源。

2 LCL滤波器分析

假设三相平衡，将整流器交流侧输出等效为电压源并忽略电感寄生电阻，建立单相等效电路如图2所示。

图2 LCL滤波器单相等效电路（低频模型）

对LCL滤波器低频模型列写变流器交流侧电压u（s）与网侧电流ig（s）的传递函数如式（1）所示，图2中去除滤波电容即为L型滤波器，L型滤波器输入输出传递函数如式（2）所示。

式中，LT=Lg+Lf为滤波电感和网侧电感之和。LCL型滤波器为三阶系统，在某一频率范围内，系统会产生谐振，影响系统稳定性，谐振角频率为ωres，具体如式（3）所示。由此绘制G1（s）和G2（s）的波特图，如图3所示。

图3 L型与LCL型滤波器的波特图

由图3知，当ω＜ωres时，LCL型和L型滤波器在低频段的特性一致，幅频特性以-20 dB/dec衰减；当ω＞ωres时，在高频段，相同的电抗器参数值下，LCL型滤波器以-60 dB/dec衰减，L型衰减速率不变。在同样滤波效果下，LCL所选用的网侧和变流器侧电感值之和小于单L型滤波器，电抗器减小的同时，系统在电抗器上的损耗减少，无论是成本还是滤波性能上都占有优势，但需要采取一定措施对LCL滤波器的谐振加以抑制。

3 AFE控制策略

AFE的控制目标是实现变流器前端单位功率运行或有源逆变，通过对三相桥臂的PWM控制，调制波采用基波与船舶电网同频率、幅值成比例的三相电压信号与三角载波比较生成相应PWM信号，驱动IGBT实现对整流器输入电流的控制。由于船舶电网的特殊性，前级连接为柴油机和电励磁同步电机构建的独立的发电系统[8]，多余的能量无法回馈至船舶变流器前端，中间直流电压过高时，需经由斩波环节释放能量。AFE保证单位功率运行，减少对船舶电网的谐波污染。

对图2所示AFE电路进行分析，在低频时，Cf相当于开路，此时LCL等效为LT滤波器（LT=Lg+Lf）。将三相abc坐标系下的PWM整流器模型经旋转变换至同步坐标系dq下的模型（4）和（5）所示。

式中，ed，eq为电网电动势的 d，q 轴分量；ud，uq为变流器交流侧电压的d，q轴分量；id，iq为网侧电流的d，q轴分量；R为电阻，R=Rg+Rf，通常很小，可忽略；idc，vdc为直流侧电流和电压；p为微分算子。

式（4）为电路电压方程，式（5）为前后级的功率方程[3，4]，id，iq分别为有功和无功电流，在控制环节中分别控制有功和无功功率。要实现功率因数可调，需要对id，iq分别单独控制，两者存在耦合，采用前馈解耦控制策略。在电流内环中，对id，iq采用PI控制器，目标电压矢量u可由（6）式生成。

电压外环则主要用于稳定直流电压。要实现单位功率运行，只须令＝0，系统所需功率仅由有功电流提供，给定直流电压和实测电压差值经PI调节器后即为有功电流。变流器前级采用LCL滤波器，在控制环节采用电容电流乘以相应比例系数的“虚拟电阻法”消除谐振影响。系统整体控制框图如图4所示。

图4 AFE控制框图

4 仿真研究

针对LCL滤波器的AFE在船舶变频器中应用，利用计算出的LCL滤波器参数，对LCL滤波的AFE控制的静态和动态性能通过仿真和试验进行验证。见表1。

表1 LCL滤波器设计参数

AFE前端发电系统采用电压源串联电励磁同步发电机的等效电抗Xeq，Xeq可近似由（7）式确定，其与系统的谐波有关[7]。

滤波电容采用三角型接法，其后负载用电阻代替逆变器和异步电机，对AFE额定功率下系统的运行情况进行仿真，结果如图5所示。网侧输入电流高频分量很小，中间直流电压维持700 V不变，网侧输入电流谐波含量明显低于变流器侧电流。仿真结果表明：（1）系统运行良好，LCL滤波器滤波特性良好，设计参数均能满足系统对THD=5%的要求；（2）变流器侧模块电流和网侧电流THD比较如表2所示，B组LCL滤波效果优于A组；（3）对比A，B两组数据，适当增大变流器侧电感可明显降低变流器侧和网侧电流谐波含量，但考虑到成本和系统谐振频率的限制，要综合考虑变流器侧电感的取值。

表2 AFE静态指标

图5 LCL滤波AFE仿真曲线（A组参数）

图6 LCL滤波AFE仿真曲线（B组参数）

5 结束语

本文采用LCL滤波的AFE取代传统的移向变压器+多脉波整流方案，其具有体积小、功率因数高、THD小等优点。重点研究了LCL滤波器参数计算选取的原则和方法。对AFE采用电压环和电流环双闭环控制策略，为消除LCL的谐振，采用“虚拟电阻法”加以抑制，通过仿真和试验对系统采用不同LCL参数下，系统的控制性能进行研究，结果表明适当增大变流器侧电感降低系统谐波含量，但也受成本和谐振频率制约。后期将对系统接入实际电机负载进行实际验证，有些参数仍需要不断调整和优化，也可对系统从功率控制角度进行其他控制算法的探索。