船用储能变流器的最优LC 设计与仿真

唐 洲，陈元初，管仁德，李根源

船用储能变流器的最优LC 设计与仿真

唐 洲1，陈元初2，管仁德1，李根源3

（1.株洲中车时代电气股份有限公司湖南株洲 412001；2. 通达电磁能股份有限公司 湖南长沙； 3. 华电新疆发电有限公司新疆哈密 839000 ）

介绍了一种新型基于LC型船用储能变流器的滤波器电路及工作原理，并针对电容、电感等关键部件参数进行了计算及仿真。结果表明，选取适当的器件参数有利于优化滤波器性能。

舰船储能变流器 滤波器 LC 优化设计

0 引言

为了不影响接入网侧负载时的电能质量，引起负载过热或者设备电磁兼容问题，对船用储能变流器输出谐波的要求较高。储能变流器通常采用脉宽调制技术，其输出PWM电压存在开关频率附近的高次谐波，为了抑制输出电流中的开关谐波，需要选取合适的输出滤波器。之前主流的储能变流器均采用LCL型滤波器，此滤波器含有滤波电容，为高频的谐波电流提供了回路，在实现相同滤波效果的前提下，LCL滤波器中两个电感的感量之和小于L型滤波器单电感感量，在体积和成本上具备明显优势，因而在储能变流器中得到了广泛的应用。但是LCL滤波器存在固有的谐振尖峰，易导致逆变器的输出电流谐振甚至不稳定。对于LCL滤波器，通常做法是采用有源阻尼的控制算法，从软件上尽可能抑制实际运行中的谐振，但受外界变压器和负载特性不确定性的影响，仍然存在着输出电流谐振的异常现象。因而，迫切需要研究一种更优性能的滤波器，使其具备良好高频抑制能力且能解决因谐振尖峰引起的稳定性问题，能够广泛适应不同特性的负载。

1 滤波器主电路设计

根据储能变流器行业交流滤波方案的调研情况，本方案拟采用一种LC无源阻尼滤波方法。

常用的无源阻尼方法就是在交流电容支路串联电阻，如图1所示，配置合适的电阻值可有效抑制谐振尖峰，但是阻尼电阻同时也会降低滤波器的高频抑制能力。为了改善串联电阻的无源阻尼方案对高频谐波的滤除性能，可将电容一分为二，阻尼电阻只需串联在其中一个电容支路即可，如图2所示。无源阻尼滤波电阻的存在必然导致功率的损耗和器件的发热，可在分裂电容阻尼滤波方案的基础上，在阻尼电阻的两端并联电感以分流其所在电容支路的基波分量，达到降低电阻功耗的目的，形成了本逆变器最终的无源阻尼滤波方案，如图3所示。

图1 LC无源阻尼滤波方案-串联电阻

图2 LC无源阻尼滤波方案-分裂电容

图3 LC无源阻尼滤波方案-并联电感

1.1 桥臂侧电感计算及仿真

1）电感下限值

从抑制谐波电流的角度，桥臂侧电感的大小关系到流过逆变桥臂中电流纹波的幅值，若要控制最大电流纹波幅值，则要求桥臂侧电感值不能过小。在逆变器工作于单位功率因数条件时，若逆变器的输出采用单一的L型滤波，则考虑到储能变流器最大电流脉动限值的要求，其单电感应满足

取储能变流器额定功率1.25MW，储能电池电压最大值1400 V，负载网压为550 V，开关频率为3450 Hz，得出采用单电感感量满足

由于储能变流器采用的是LCL滤波器，故其总电感感量只需单电感滤波器感量的约1/3，故可得出桥臂侧电感应满足

2）电感上限值

从瞬态电流跟踪的角度，电感的值应能使电流的跟踪速度足以匹配电流最大变化率，得出电感的上限值

当储能电池电压取下限值800 V时，桥臂电感满足

综合上文得出的电感上下限值，暂取桥臂电感值为0.07 mH。

基于Matlab建模仿真下面分别对不同电感量条件下的电抗器电流进行了仿真，其结果如表1所示。

表1 电抗器参数对交流电流纹波影响

结果表明电抗器选择0.07 mH较为合适，模块输出电流波动可限制在20%额定电流（371A）以内。网侧电流谐波频谱如图4所示。

图4 负载网侧电流谐波频谱

2.1 交流滤波电容计算

在逆变器中，交流滤波电容的容量越大，其对高频的滤波效果越好，但其产生的无功功率也会越大，在进行滤波器的设计时通常将电容产生的无功功率限制在5%的系统额定功率左右，考虑到滤波器的负载网侧电感一般较小，可忽略其压降，故LC滤波器的电容满足：

考虑工程化设计，现有三相电容物料为3×55.7uF，其内部采用三角形连接且单只电容为55.7uF，故该电容等效星型接法的各相电容为167uF，因而可采用4只电容并联，即

2.2 阻尼电阻和并联小电感计算及仿真

在本滤波方案中，滤波电容分为两组，其中一路接入阻尼网络。采用分裂电容时，要达到相同的阻尼效果，分裂电容支路的电阻应按下式计算：

由上面波特图可看出等效LCL滤波器谐振频率约为1170 Hz左右，代入上式可得出：

若不考虑阻尼电阻并联小电感的影响，阻尼电阻分别取0.125欧姆和0.25欧姆时的波特图如图5所示，当阻尼电阻取为0.125欧姆时谐振峰出幅值增益仍有18dB，而取0.25欧姆时的谐振增益已降至10dB左右，可见阻尼电阻取0.25欧姆较为合适。

图5 阻尼电阻取不同值的滤波效果

选定阻尼电阻后，为了进一步降低阻尼电阻的电流基波和低频成分，在电阻上并联适当的小电感L，一般取为

代入相关数值得出小电感取值0.034mH。由于小电感的加入将导致滤波器传递函数发生变化，当小电感分别取0.034mH、0.068mH和0.1mH时，其幅频特性如下图6所示。可见Lf适当取大一点能进一步降低谐振频率出的增益且增强滤波器的高频滤波性能，这里将小电感取为0.1mH。

在0.28～0.34 s期间仿真引入负载电网谐波电压（4%），关注两电容支路电流和阻尼元件（电阻和小电感）上的电流情况，滤波器关键器件的电流仿真分析结果如表2和图7、图8所示，结果表明运行工况均不会超过额定值。

表2 滤波器关键器件电流仿真分析结果统计

图7 电容支路电流（上-无阻尼支路，下-有阻尼支路）

图8 阻尼网络元件电流（上-电阻，下-电感）

3 结论

伴随着储能电池等新能源发电大量接入舰船电网，使得舰船电网环境越来越复杂，储能变流器的负载电网适应性必须越来越好。适当的滤波网络和正确的器件参数对于三电平并网逆变器的设计至关重要。本文对参数选择的理论推导和仿真验证表明了电路拓扑和参数选择的合理性，对于大功率储能变流器的工程设计具有重要的参考意义。

[1] 赵争鸣, 刘建政, 孙晓瑛, 等. 太阳能光伏发电及其应用[M]．北京: 科学出版社, 2006.

[2] 赵玉文, 吴达成, 王斯成, 等．中国光伏产业发展研究报告（2006-2007）（下）[Ｊ]. 太阳能, 2008（8）: 6-13.

[3] 赵平, 严玉廷. 并网光伏发电系统对电网影响的研究[J]. 电气技术, 2009（3）: 41-44.

Optimal Design and Simulation of LC Filter of Marine Energy Storage Converter

Tang Zhou1, Chen Chuyuan2, Guan Rende3

(1．Zhuzhou CRRC Times Electric Co., Ltd, Zhuzhou 412001, Hunan, China; 2．Tongda Electromagnetic Energy Co., Ltd, Changsha 420000; 3 .Huadian Xinjiang Power Generation Co., Ltd, Hami 839000. Xinjiang, China)

TP391.9

A

1003-4862（2021）06-0008-03

2021-03-31

唐洲（1981-），高级工程师，研究方向：轨道交通及新能源装备开发工作。E-mail：tangzhou@csrzic.com