电容Cf支路对基波和低频谐波呈现出高阻抗,但是对于高频谐波呈现低阻抗,高次谐波流经电容支路会产生无功电流,注入的无功电流与电容值成正比,导致系统侧功率因数下降;系统的谐波电流衰减比与电容值成反比,电容值越大系统的谐波衰减比越小,但是电容值的增大带来的负面影响是不可忽略的,减小谐波衰减比可以利用其他的参数配置来实现。选取电容的原则是电容值应该选择地尽量小,以保证它带来的影响可以完全忽略。电容的选择与系统的额定功率有关,通常经验上将系统额定功率的百分之五作为滤波电容引起的无功功率的阈值,不超过该阈值即可:
Cf?5%P3×2∏fU2N=0.05×660003×2×3.14×50×2692=48μF
其中,P为系统的额定功率;f为电网基波频率;UN为电网线电压有效值。
另外,滤波电容Cf的取值将影响整个LCL滤波器的谐振频率fres。一方面,要使LCL滤波器取得一定的高频衰减特性,谐振频率fres应足够低,即当总滤波电感一定时,滤波电容Cf在满足无功要求时,应尽量大。另一方面,经过LCL滤波器除了有高频开关谐波外还包括补偿的低次谐波。当fres过小时,低次谐波电流将通过LCL滤波器得以放大,使补偿效果变差。为避免电网电流畸变,fres应该尽量取高值。对于其他场合应用的LCL滤波器,一般要求谐振频率位于10倍基频和一半开关频率之间。但在APF中,这个设计规则显然需要修改,要求谐振频率位于APF补偿的最大谐波频率和一半开关频率之间,谐振频率应尽量靠近开关频率的一半,以保证在高频衰减的同时,避免低次谐波被放大。
Nf=3000Hz?fres=12∏L1+L2L1L2Cf?fres2=4800Hz
其中,N为APF需要补偿的谐波次数;f为电网基波频率;fres为APF开关频率。
由式可得滤波电容Cf的取值范围为10.19μF?Cf?26.08μF。
综上所述,滤波电容取为Cf=15μF。
(五)确定阻尼电阻Rd 当总电感和滤波电容确定之后,LCL滤波器的谐振频率可以确定:
fres=12∏L1+L2L1L2Cf=16.28×0.45×10-30.27×10-3×0.18×10-3×15×10-6=4131Hz
阻尼电阻Rd加入滤波电容支路是为了衰减LCL滤波器的谐振峰值,降低谐振对系统性能的影响。如果Rd选择过小,抑制系统谐振的能力不足,主要体现在衰减谐振峰值的能力,而且导致系统损耗上升;增大电阻Rd,虽然可以一定程度上减小系统的损耗,但是却带来了对高频段谐波衰减能力降低的弊端,同时也降低了开关谐波的衰减比。一般将Rd选取为谐振频率处电容阻抗:
Rd=12∏fresCf=12×3.14×4131×15×10-6=2.57Ω
根据计算,可将阻尼电阻取值为Rd=2.5Ω。
三、实验结果 为了验证设计的LCL滤波器的有效性,进行了实验研究,系统参数与设计中的一致。非线性负载为三相不控整流桥带纯电阻RL=20Ω负载,直流电压参考值设为700V。APF谐波检测方法为传统瞬时无功功率法,直流侧电压环采用PI控制,电流控制采用基于PI的SVPWM调制控制策略。[5][6]
图2为未接入APF进行谐波补偿时电源电流波形。由图可知,补偿前电源电流发生严重畸变,为非正弦波形,含有大量谐波分量,总的谐波畸变率(THD)为29.45%。从波形上看,符合三相不控整流带电阻负载的特征。
图3为投入APF后稳态时系统的电压和电流波形。由图可看出,APF直流测电压控制环和电流控制环均能正常工作,APF直流侧电压很好的稳定在预设的700V,波动很小。APF输出的补偿电流很好地补偿了系统谐波,电源电流经补偿后接近正弦波,其THD值由29.45%降至4.95%,改善了电源电流质量,达到国标标准。实验结果证明,采用本文所提出的LCL滤波器设计方法和控制策略,APF能输出谐波补偿电流,同时对开关谐波有很好的滤除效果,使APF取得理想的补偿效果。
(a)稳态时负载电流和APF直流侧电压(b)稳态时APF输出补偿电流和补偿后的电源电流
四、结论 LCL滤波器是一种滤除逆变器开关谐波的有效手段,为了避免LCL滤波器发生电流谐振,通常需要加入阻尼电阻。本文基于电流最大允许脉动、逆变器开关频率和阻尼特性要求,提出了应用在三相并联有源电力滤波器中的LCL滤波器的设计方法,并结合实例详细介绍了设计过程。实验结果证明了所设计的LCL滤波器能有效的抑制开关谐波,保证了APF的补偿效果。
参考文献: [1]李战鹰,任震,杨泽明.有源滤波装置及其应用研究综述[J].电网技术,2004,28(22):40-43.
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