採用分裂電容串聯阻尼電阻的lcl濾波器及設計方法
2024-01-24 00:08:15
專利名稱：採用分裂電容串聯阻尼電阻的lcl濾波器及設計方法
技術領域：
本發明涉及風電併網變流器技術領域，具體地，涉及一種採用分裂電容串聯阻尼電阻的LCL濾波器及設計方法。
背景技術：
三相電壓源型併網逆變器具有輸出電流諧波含量低，功率因數調節以及能量雙向流動的優點，體積小且重量輕，因此在有源濾波、電力傳統以及太陽能、風能等可再生能源的併網發電系統等領域得到了廣泛的應用。採用PWM調製技術控制的三相電壓源型併網逆變器的變流器側會產生開關頻率以及開關頻率整數倍的諧波頻率電流，該諧波電流會對電網電壓造成汙染，嚴重影響電氣設備的運行和工作。為了消除變流器輸出的電流諧波，併網逆變器的輸出濾波器一般採用 L型。單電感L型濾波器結構簡單，但是其對高頻諧波衰減特性不夠理想，需要較大的電感量或者需要採用較高開關頻率才能獲取較為良好的電流衰減效果。在大功率應用場合，由於受到開關頻率不能過高的限制，採用L型濾波器難以滿足併網電流的諧波標準要求，常常採用LCL濾波器。相比L型濾波器，LCL濾波器對高頻諧波具有更好的衰減效果，能夠在相同電感量的情況下得到更為優異的濾波效果，相同濾波效果下，能夠大大減小電感量，縮小電抗器的體積。但是由於LCL濾波器屬於三階系統，存在諧振峰值，在諧振電流的激發下，容易導致變流器控制的不穩定，因此需要採取一定的諧振抑制措施。目前在大功率風電領域中應用較多的是無源阻尼法，如在電容支路上串聯阻尼電阻。該方法不需要增加額外的控制算法，實現簡單，但是加入的阻尼電阻會增加系統的額外損耗，尤其是大功率應用場合，往往需要為阻尼電阻增加專用的冷卻裝置。現有的有源阻尼方法通過修正控制算法替代阻尼電阻，常見的有虛擬電阻法、超前網絡法、基於遺傳算法的主動阻尼法，但是這些方法需要額外增加電壓傳感器或者電流傳感器以及額外的複雜控制算法，不僅提高了系統的硬體電路成本，而且增加的傳感器等器件也降低了變流器系統的整體可靠性。如公開號為102522879A的中國發明專利，該專利提供一種LCL併網逆變器系統的有源阻尼方法，通過設置共軛零點或獨立零點，對消LCL濾波器在併網逆變器系統中產生的共軛諧振極點或將共軛諧振極點吸引至穩定區域內，採用網側電感電流反饋和引入LCL濾波器中的狀態變量進行反饋補償的方法來實現。通過對網側電感電壓進行反饋補償，來控制LCL濾波器的諧振阻尼，進而對併網逆變器系統的進網電流波形和幅值進行控制，可以有效抑制電網電壓諧波對進網電流的影響。如公開號為102263417A的中國發明專利，該專利提供一種光伏併網逆變器中LCL濾波器混合阻尼參數設計方法，其特徵在於採用了主動阻尼和被動阻尼協同工作的方法對LCL濾波器的諧振進行抑制。主動阻尼部分採用濾波器電容電流反饋的控制方法，被動阻尼部分採用濾波電容串聯阻尼電阻的方法。對於一個LCL濾波器，在保證足夠的阻尼係數的情況下，計算被動阻尼所需的阻尼電阻大小，以及主動阻尼的反饋係數，並對設計的協同控制阻尼方案進行校驗，阻尼電阻的損耗儘可能小，系統控制延遲不對阻尼運行產生影響，且阻尼對於強電網接入和偏遠地區弱電網接入均具有適應性。它適用於採用LCL濾波的併網光伏發電系統，以及燃料電池、風力發電併網系統。公開號為102522879A的中國發明專利，通過採用網側電感電壓反饋補償，實現了對LCL濾波器的諧振阻尼，該方案的明顯缺陷是需要提供額外的電壓傳感器來採集電感電壓，增加了系統的硬體成本，此外控制算法中採用的微分調節器數字實現是一個難點，且微分環節比較容易引入幹擾，影響系統的控制精度和穩定性；公開號為102263417A的中國發明專利，通過採用在濾波電容器上串聯阻尼電阻以及引入濾波器電容電流反饋的混合阻尼方案，實現了對LCL濾波器的諧振阻尼，該方案的最大優點是具有較強的電網適應能力，最大缺陷是需要提供額外的電流傳感器來採集濾波器電容電流，增加了系統的硬體成本，且增加了算法的複雜程度。上述兩種方案均為有源阻尼方案，有源阻尼控制最大的缺點是需要額外的傳感器，通過修改控制算法實現對LCL濾波器的諧振阻尼，但是增加的傳感器影響系統的可靠性，增加系統的故障點，給系統的可靠運行帶來一定的安全隱患。對大功率風電變流器特別是應用於海上風電的變流器，系統的安全、可靠運行往往是設計者更為關注的重點，在這種情況下，無源阻尼控制不失為一種最好的選擇方案。 傳統的無源阻尼控制是在LCL濾波器的濾波電容支路上串聯電阻，從而實現了對LCL濾波器的諧振阻尼，但是無源阻尼控制最大的缺陷是串聯阻尼電阻需要消耗較大的有功功率，給系統的散熱設計帶來了一定的挑戰，因此對於無源阻尼控制，如何降低阻尼電阻的功率損耗是個難點問題。
發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種採用分裂電容串聯阻尼電阻的LCL濾波器，該方案將傳統完全電容阻尼方案中的電容均分為兩個部分，只在其中的一半電容上串聯阻尼電阻，另外一半電容則不串聯阻尼電阻，本發明提出的分裂電容無源阻尼方案，不需要增加任何額外的傳感器，且不增加控制算法的複雜性，而且相比傳統無源阻尼方法，能夠降低阻尼電阻的功率損耗，從而提高了整個變流器的效率，在一定程度上減輕了系統散熱的壓力。根據本發明的一個方面，提供一種採用分裂電容串聯阻尼電阻的LCL濾波器，主要由網側電抗器Lg、第一三相濾波電容器Cdl、阻尼電阻Rd、第二三相濾波電容器Cd2和併網逆變器側電抗器Li構成；其中網側電抗器Lg和併網逆變器側電抗器Li順序串聯連接，第一三相濾波電容Cdl和阻尼電阻Rd串聯再與第二三相濾波電容器Cd2並聯，將該並聯支路看作一個整體，取三個完全相同的該並聯支路，採用星形(Y)連接方式分別連接於兩電抗器Lg、Li串聯節點Ul、Vl和Wl上；三相電網電源接到網側電抗器Lg端子U、V和W上；併網逆變器的全控整流橋QHl的三相交流側接到電抗器Li的端子U2、V2和W2上。優選地，所述第一三相濾波電容器Cdl和第二三相濾波電容器Cd2取為相同的容值。優選地，第一三相濾波電容器Cdl與阻尼電阻Rd的串聯支路也可以連接為角形(Λ )連接方式，在電網電壓較低的情況下能夠減小電容器和阻尼電阻的取值為星形(Y)連接方式的三分之一。
優選地，第二三相電容器Cd2也可以連接為角形(Λ )連接方式。根據本發明的一個方面，提供一種上述LCL濾波器的阻尼電阻的設計方法，該方法是在計算機中依次按照以下步驟進行仿真設計的步驟(I):在初始化模塊中對LCL濾波器參數進行初始化，Lg為LCL濾波器的電網側電感值，Li為LCL濾波器的逆變器側電感值，Cf為LCL濾波器的濾波電容值；fb為基波頻率，fsw為開關頻率；並將初始化結果輸入諧振角頻率設計模塊；步驟(2):在諧振角頻率設計模塊中，根據初始化的結果計算LCL濾波器的諧振角頻率，並將該數值傳給阻尼電阻參數設計模塊，諧振角頻率公式為
權利要求
1.一種採用分裂電容串聯阻尼電阻的LCL濾波器，主要由網側電抗器Lg、第一三相濾波電容器Cdl、阻尼電阻Rd、第二三相濾波電容器Cd2和併網逆變器側電抗器Li構成；其中網側電抗器Lg和併網逆變器側電抗器Li順序串聯連接，第一三相濾波電容Cdl和阻尼電阻Rd串聯再與第二三相濾波電容器Cd2並聯，將該並聯支路看作一個整體，取三個完全相同的該並聯支路，採用星形(Y)連接方式分別連接於兩電抗器Lg、Li串聯節點Ul、Vl和Wl上；三相電網電源接到網側電抗器Lg端子U、V和W上；併網逆變器的全控整流橋QHl的三相交流側接到電抗器Li的端子U2、V2和W2上。
2.根據權利要求I所述採用分裂電容串聯阻尼電阻的LCL濾波器，其特徵在於，所述第一三相濾波電容器Cdl和第二三相濾波電容器Cd2取為相同的容值。
3.根據權利要求I所述採用分裂電容串聯阻尼電阻的LCL濾波器，其特徵在於，所述第一三相濾波電容器Cdl與阻尼電阻Rd的串聯支路連接為星形Y連接方式，在電網電壓較低的情況下，第一三相濾波電容器Cdl與阻尼電阻Rd的串聯支路也可以連接為角形(Λ )連接方式，從而減小電容器和阻尼電阻的取值為星形(Y)連接方式的三分之一。
4.根據權利要求I所述採用分裂電容串聯阻尼電阻的LCL濾波器，其特徵在於，所述第二三相電容器Cd2連接為星形Y連接方式，在電網電壓較低的情況下，第二三相電容器Cd2也可以連接為角形(Λ)連接方式從而減小電容器的取值為星形(Y)連接方式的三分之一。
5.一種權利要求I所述LCL濾波器中的阻尼電阻的設計方法，其特徵在於，所述方法在計算機中依次按照以下步驟進行仿真設計的 步驟(I):在初始化模塊中對LCL濾波器參數進行初始化，Lg為LCL濾波器的電網側電感值，Li為LCL濾波器的逆變器側電感值，Cf為LCL濾波器的濾波電容值；fb為基波頻率，fsw為開關頻率；並將初始化結果輸入諧振角頻率設計模塊； 步驟(2):在諧振角頻率設計模塊中，根據初始化的結果計算LCL濾波器的諧振角頻率 ，並將該數值傳給阻尼電阻參數設計模塊，諧振角頻率公式為
6.根據權利要求5所述的阻尼電阻的設計方法，其特徵在於，步驟(6)中，阻尼電阻參數設計模塊對於不同頻率ω不斷進行步驟(5)，其中包括基波頻率ω=2πΛ、諧振頻率c^ = c0Ms和開關頻率ω =2 π fsw三種頻率情況。
7.根據權利要求5所述的阻尼電阻的設計方法，其特徵在於，步驟(8)中，所述參數輸出模塊選擇阻尼電阻值Rd』，其選擇原則為dp<-0. 5, η (ω,χο.9, η (ωΓ63)<0. 75,n (osw) <ο· 5。
全文摘要
本發明提供了一種應用於風力發電技術領域的採用分裂電容串聯阻尼電阻的LCL濾波器及設計方法，其中網側電抗器和併網逆變器側電抗器順序串聯連接，第一三相濾波電容和阻尼電阻串聯並接於兩電抗器串聯節點上；第二三相濾波電容器直接並接於兩電抗器串聯節點上；三相電網電源接到網側電抗器Lg端子上；併網逆變器的全控整流橋的三相交流側接到電抗器的端子上。本發明解決了LCL濾波的電壓型可控逆變器的穩定性問題，能夠有效降低阻尼電阻上的功率損耗，提高併網逆變器系統的整機效率，從而減輕了系統散熱的設計壓力。
文檔編號H02M1/12GK102969877SQ201210461628
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者王晗, 張建文 申請人:上海交通大學