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1、三相三线制有源电力滤波器三相三线制有源电力滤波器 LCLLCL 参数研究参数研究杨兴媚江苏安科瑞电器制造有限公司摘要：通过分析 LCL 的滤波数学模型建立三相三线制并联有源电力滤波器仿真模型。对比有源电力滤波器不带 LCL 滤波和带 LCL 滤波对系统滤波效果的影响，仿真结果表明：三相三线制有源电力滤波器带 LCL 滤波可以滤除有源电力滤波器中变流器所产生的高频开关次谐波。关键词：三相三线制；APF；仿真模型；高频；谐波；数学模型；LCL 滤波；谐振点Abstract：Three-phase three-wire active power filter (APF) can compensate
2、 power system harmonics,when APF compensating the harmonic,the APFs inverter also has switching frequency of the high order harmonics,by analyzing LCL filter mathematical model can build a three-phase three-wire system active power filter system simulation model.We can compare the active power filte
3、r without LCL and with LCL，what effect can they have,the simulation results show that three-phase three-wire APF with LCL filter can filter out the converter of APFs high-frequency switching harmonics.Keywords：three-phase three-wire system;APF;simulation-model; high-frequency;harmonic1 引 言三相三线制有源电力滤
4、波器（APF）可以对现代电力系统中的谐波进行补偿，但是有源电力滤波器本身变流器采用的是 PWM 调制技术，采用 PWM 调制技术会产生高频的开关次谐波，这些高次谐波会对一些设备产生很大的电磁干扰，影响设备的正常运行1-3。有源电力滤波器对谐波电流进行补偿时，需要及时跟踪指令电流。当输出电抗器感量选的很小时，虽然保证了电流的跟踪效果却造成电流的开关次纹波很大；APF 的输出电抗器的感量也不能够太大，否则桥臂输出电流会滞后指令电流，造成补偿效果变差。由此可以看出在选取小感量电抗器保证电流跟踪效果的同时需要在并网点加上 LCL 滤波环节来滤除开关次高频纹波4。在有源滤波器并网时加上 LCL 滤波环节
5、后参数选取会影响滤波效果，甚至造成系统谐振，因此需要先分析了解带 LCL 的 APF 数学模型，找到谐振点以及合适的参数，从而保证滤波的效果最好。2 三相三线制 APF-LCL 数学模型三相三线制 APF 采用 LCL 并网接法结构图如图 1 所示5-6。ACACACABCABC非线性负载APF+-aebeceaibiciaucubu dcu1L2L CR图 1 APF 的 LCL 并网接法图 1 中的、为电网侧相电压，、为变流桥交流侧电压，为 APFaebeceaubucu1L输出电抗感量，为 LCL 电网侧电抗感量，C 为 LCL 电容值，R 为电阻值。将图 1 的三相2L结构模型等效成单
6、相的结构模型为图 2 所示，阻尼电阻 R 的作用是抑制谐振。根据图 2 得到 LCL 的数学模型为方程组（1）：R1L2LCue1i2i3i图 2 等效的单相 LCL 模型（1） dttduCtidttdiLtRitututitititedttdiLtRitucc31 133212 23方程组（1）经拉普拉斯变换后的到结构框图如图 3 所示。sL11RCs1sL21ue1i2i3i图 3 等效单相 LCL 模型结构框图可以得到传递函数、。 sG1 sG2 sH（2） sLRCssLRCssL susisG2111 11111111sLLRCsLLCsLLRCsCsL212 213 212 21
7、 （3） sLRCssLsLsLRCssLRCssLsLRCssusisG22 212212 21111111111111sLLRCsLLCsLLRCs212 213 211 （4） 112 212 RCsCsLRCs sisisH可以得出谐振频率为：。CLLLLfres2121 212 APF-LCL 数学模型的参数分析根据参考文献7-8中 LCL 参数的选取方法，并考虑到 LCL 电容值参数在 APF 不可控整流预充电过程中有较大的影响（例如 APF 启动时限流电阻为 51，40uF 电容时整流后直流侧电压稳定在 473V，整流时直流侧电容充电过程如图 4 所示） ，在 APF 仿真模型中
8、 LCL 参数分别取值为表 1，分析改变电气参数对系统性能的影响。00.511.522.533.544.550255075100125150175200225250275300325350375400425450475500t/sUdc/V图 4 LCL 中 C 为 40uF 时 C 上电压曲线表 1 LCL 参数取值L1(mH)L2(mH)C(uF)R（）0.350.084010.350.085010.350.086010.350.15010.350.085000.350.08502分组对比分析各个参数的影响：（1）L1=0.35mH，L2=0.08mH，R=1，改变 C 的值为 40uF、
9、50uF、60uF 时对比传递函数的伯德图（如图 5 所示） 。 sH-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-505101520各 各 各 各 (dB)103104105106107-135-90-450各 各 各 各 (deg)Bode DiagramFrequency (rad/sec)C=40uFC=50uF C=60uF图 5 不同电容参数 bode 图由图 5 可以看出幅频特性的 C 增大，谐振频率 fres减小，向低频域移动。在低频段没有什么衰减作用，在高频段对高频部分（高于谐振频率的部分）以 25dB/每十倍频程进行衰减，衰减有所增加但是增加的量很少；
10、由相频特性可以看出相位角偏移起始频率也向低频域移动。（2）L1=0.35mH，C=50uF，R=1，改变 L2的值为 0.08mH、0.1mH 时对比传递函数的伯德图（如图 6 所示） 。 sH-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5051015各 各 各 各 (dB)103104105106-135-90-450各 各 各 各 (deg)Bode DiagramFrequency (rad/sec)L2=0.08mHL2=0.1mH图 6 不同电抗参数 bode 图由图 6 幅频特性可以看出 L2的增大，谐振频率 fres减小，向低频域移动，在低于谐振频率的低频域增益为 0
11、dB，没有衰减作用，在高于谐振频率的高频域开始衰减对高频的衰减作用很明显，可以根据谐振点看出 i2在偏离 i1的程度，即衰减程度。由相频特性可以看出相位角偏移起始频率也向低频域移动。（3）L1=0.35mH，C=50uF，L2=0.08mH ，改变 R 的值为 0、1、2 时对比传递函数的伯德图（如图 7 所示） 。 sH-100-50050100150各 各 各 各 (dB)103104105106-180-135-90-450各 各 各 各 (deg)Bode DiagramFrequency (rad/sec)R=0各 各R=1各 各R=2各 各图 7 不同阻尼电阻参数 bode 图由图
12、 7 幅频特性可以看出阻尼 R 的增大，抑制谐振的能力越强，阻尼 R 值大了之后会导致在高频域内虽然较大程度上的抑制了谐振峰值，但是高频域的滤波性能变差；阻尼 R值过小会导致抑制谐振能力不够。由相频特性可以看出增大阻尼 R 值会导致相位角偏移的速度在频率升高时较为缓慢。3 APF-LCL 仿真结果建立三相三线 APF 仿真模型，谐波负载电流如图 8 所示，为典型的非线性阻性负载谐波，THD 含量为 16.6%，主要包含 5 次、7 次、11 次、13 次谐波。0.10.120.140.160.180.20.220.240.260.280.3-2000200t/s各 各 各 各 i/A05101
13、5202530051015各 各 各 各THD= 16.60%各 各 各 各 各 各 (%)图 8 典型阻性谐波负载未加 LCL 并网滤波功能，得到的补偿后的 THD 含量为 1.59%如图 9 所示。00.050.10.150.20.250.30.350.4-2000200t/s各 各 i/A05010015020025030035040045050000.20.40.6各 各 各 各THD= 1.59%各 各 各 各 各 各 (%)10KHZ各 各20KHZ图 9 未加 LCL 的 APF 补偿后网侧电流可以看出 10KHZ 为 200 次谐波含量是比较高的，采用 LCL 后滤除效果如图
14、10 所示，补偿后的 THD 含量为 0.95%，将 200 次（10KHZ） 、400 次（20KHZ）高频开关次谐波给衰减了。0.10.150.20.250.30.350.4-2000200t/s各 各 i/A05010015020025030035040045050000.20.40.6各 各 各 各THD= 0.95%各 各 各 各 各 各 (%)10KHZ各 各20KHZ图 10 加 LCL 的 APF 补偿后网侧电流4 结论本文分析了在三相三线制 APF 中加上 LCL 并网滤波环节的数学模型以及谐振频率，通过分析 APF-LCL 数学模型传递函数伯德图，得出调整各个电气参数对 A
15、PF 滤波效果有何种影响，在 APF-LCL 仿真模型中对比了有无 LCL 环节对滤波效果的影响。由此得出结论：在避免谐振的基础上加上 LCL 环节对滤除 APF 系统中高次开关频率的谐波有良好的效果。参考文献1 S.Pettersson,M.Salo,and H.Tuusa, “Applying an LCL-filter to a four-wire active power filter,”in 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference, pp. 17.2 仇志凌,杨恩星，孔洁，陈国柱.基于 LCL 滤波器的并联有源电力滤波器电流闭环控制方法J.中国电机工程学报，2009,29(18)15-20.3 赵仁德,赵强，李芳，王平.LCL 滤波的并网变换器中阻尼电阻影响分析J.电力系统自动化学报，2009,21(6)112-116.4 王兆安,杨君,刘进军,王跃.谐波抑制和无功功率补偿.北京:机械工业出版社M . 20135 张宪平,林资旭，李亚西,许洪华.LCL 滤波的 PWM 整流器新型控制策略J
