中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn LCL 滤波器在三相 PWM 整流器中的应用 王志业，杜坤坤* （中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008） 摘要：本文采用 LCL 滤波器来减少 L 滤波 PWM 整流器交流电流中的高次谐波，考虑到 LCL 滤波元件的谐振问题，提出了在滤波电容上串联电阻增加阻尼的方法来避免谐振，并阐述了 滤波参数的计算方法。仿真结果表明，采用 LCL 滤波的整流器比 L 滤波的整流器在滤除高 次谐波方面效果好的多，从而验证了该方案的优越性。 关键词： LCL 滤波器;PWM 整流器;谐波 中图分类号：TM461 Application of LCL-filter in three-phase PWM rectifier WANG Zhiye, DU Kunkun Jiangsu, Xuzhou 221008) (School of Information and Electrical Engineering China University of Mining and Technology, Abstract: The article proposed a LCL-filter to reduce the current harmonics around the switching frequency of three-phase PWM rectifier based on L-filter. Considering the resonance of LCL-filter, a control method based on damping resistor in series with capacitance of LCL-filter was presented. The procedure for designing the LCL-filter was introduced. Simulation results showed that the LCL-filter can provide sufficient attenuation of current harmonics. The advantages of this method were demonstrated. Key words: LCL-filter; PWM rectifier; harmonic 0 引言 PWM 整流器以其功率因数高、谐波污染小，能量可双向流动，而被广泛的应用在有源 滤波、超导储能、高压直流输电等领域[1]。传统的 PWM 整流器通常采用纯电感滤波，会产 生较多的开关频率及其整数倍的高次谐波，这些高次谐波可能对线路中连接的对电磁干扰特 别敏感的设备产生不利影响[2,3]。为减少开关频率附近的高次谐波分量，需选择较大的电感 参数，这将增大电感的体积，增加制造成本，并使系统的动态性能下降。 采用LCL滤波可以有效的解决这一问题: 在低于谐振频率时，可将LCL滤波器视为L滤波 器，其电感值为两个电感之和，但比L滤波的电感值小，因此LCL滤波可以采用相对较小的滤 波元件，减小滤波元件体积[4]，考虑到LCL滤波存在谐振问题，采用滤波电容串联电阻来增 加阻尼，抑制谐振的发生。提出了参数的计算方法，最后通过搭建仿真模型，验证了该方法 的可行性。 作者简介：王志业（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子与电力传动. E-mail: cumt.wzy@163.com - 1 - 

中国科技论文在线 1 LCL 滤波的 PWM 整流器模型 http://www.paper.edu.cn 0i Li 2i C 图1 串联电阻LCL滤波的PWM整流器的拓扑结构 串联电阻LCL滤波的PWM整流器的拓扑结构如图1所示，整流器侧是3个电阻为 R ，电感 为 L 的电抗器，网侧是3个电阻为 gR ，电感为 gL 的电抗器，LCL滤波器中的LC部分主要用于 减少高频的电流纹波，电容 fC 可以为纹波电流中的高频分量提供低阻抗的通道[4]。LCL滤 波的PWM整流器系统，低频时，相当于L滤波的PWM整流器，取单相LCL滤波器进行分析，其等 值电路如图2所示。 − + ru − e 1 sL 1 sC f + R d 1 s L g − + 2i 1i 图2 单相LCL滤波器的模型框图 dR 为 fC 串联的电阻，忽略 dR 时，网侧电流 1i 与整流器侧控制电压 ru 的函数关系式为（由 于电阻 ,gR R 相对于感抗都比较小，因此在分析中可以忽略）： ( ) G s 1 = g 类似地，整流器侧电流 2i 与 ru 的函数关系式为： i s ( ) 1 u s ( ) r = 1 + ( 3 L L s ) + g LL C s f ( ) G s 2 = i s ( ) 2 u s ( ) r = L C s f g LL C s ( + f g 3 2 1 + L L s ) + g (1) （2） 考虑到模块化设计的便利性以及传感器也可被用来保护整流器，所以电流传感器的位置 一般选定在整流器侧，因此一般以式（2）作为控制时的传递函数。 2 LCL 滤波器的参数设计 LCL滤波器的参数对系统性能影响很大，参数的选取主要从以下方面进行考虑[5]：满足 有功功率、无功功率的控制要求；满足电流跟踪响应的要求；满足谐波电流指标的要求等。 其参数设计也比较复杂，文献[6]提出了一种试凑的方法，但是这种方法比较费时。本文采 用了LCL滤器参数的一种新的分步设计方法[7]。 - 2 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn L (1) 总电感的选取。令 T = + ，为提高电流的跟踪能力及系统的响应速度，电感 TL 的 L L g 值越小越好。但电感越大，滤波效果也越好。因此要综合考虑选择合适的值： dc U i f 4 3 ripm sw ≤ L T ≤ 2 E m （3） U dc 2 − 3 I n m ω 式中， ripmi 是谐波电流峰值，一般为基波电流峰值的15%， mE 为电网相电压峰值， mI 为 电网相电流峰值。 （2）确定电容 fC 的取值范围。为了避免整流器功率因数过低，一般滤波电容吸收的基波 无功功率不大于系统额定有功功率的5%： C f ≤ 5% p n f Eπ n n 3 2 ⋅ （3）根据谐波衰减比 d 确定滤波器的各参数。令 r （4） 2 = ，设定 d 的取值，滤波电容 fC 及 gL L 电感 TL ,判断二次方程（5）有无正解，如果方程没有正解可改变 , 有正解为止。 d C L 的值，直到方程 ,f T 2 dr + (2 d 1 + − 2 d ω sw L C r d T ) f + + = （5） 1 0 （4）判断谐振频率是否满足要求，如不满足，返回第3步重新设计。为避免谐振发生在主要 谐波频率附近，谐振频率需满足： 10 ≤ f n f res ≤ 0.5 f sw （6） 其中， f res = 1 2 π + L L g LL C g f （5）串联电阻 dR 的选取。为了避免谐振，采用滤波电容串联电阻的方式，增加阻尼，以保 证系统的稳定性，可取 R d = 3 2 ⋅ π ⋅ 1 f C res ⋅ f 3 LCL 滤波 PWM 整流器的控制 考虑到 LCL 滤波器的滤波电容 fC 对工频电流的阻抗远比电网侧电感 gL 大，滤波电容 支路对低频电流相当于开路，对低频电流而言，LCL 滤波器相对于 L 滤波器，故 LCL 滤波整 流器采用传统整流器中使用的 SVPWM 的控制方法。电流传感器的位置选定在整流器一侧，电 = + ，系统控制框图如图 3 所示。可见串联电阻方式没 R 压传感器采样电网电压。令 T R R g 有新增传感器，控制结构简单。 - 3 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn qe qs ds de + − + + + + − + 1 sL+ T R T qi + + + + + 3 2 − dcu 1 sC TLω TLω − 1 sL+ T R T di + + 图 3 PWM 整流器同步坐标系下模型结构 4 系统仿真与分析 根据以上参数设计分析，选择仿真参数为：网侧电感 2.5 ，整流器侧电感 dR = Ω ，相电压有效值为 110V，直流电压为 380V， ，滤波电容 Fμ= 32 mh fC L = gL = 1.2 mh , 2 开关频率为 2KHz。 利用 Matlab/Simulink 搭建了 LCL 滤波三相电压型 PWM 整流器的仿真电路，为了更好 的对 LCL 滤波及 L 滤波整流器进行比较，也搭建了 L 滤波整流器的仿真电路，其中，L 滤波 整流器的电感值 L L T = = 3.7 mh ，其它参数不变。图 4 是 L 滤波 PWM 整流器网侧电流波形 及其频谱分析，图 5 是 LCL 滤波 PWM 整流器网侧电流波形及其频谱分析。 40 20 0 -20 -40 0.4 ) l a t n e m a d n u F f o % ( g a M 3 2 1 0 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 Time (s) 0.46 0.47 0.48 0.49 Fundamental (50Hz) = 31.76 , THD= 4.58% 0 2000 4000 Frequency (Hz) 6000 8000 10000 图 4 L 滤波 PWM 整流器网侧电流及其谐波分析 - 4 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 40 20 0 -20 -40 0.4 ) l a t n e m a d n u F f o % ( g a M 0.42 0.44 0.46 0.48 Time (s) Fundamental (50Hz) = 31.2 , THD= 1.22% 3 2 1 0 0 2000 4000 Frequency (Hz) 6000 8000 10000 图 5 LCL 滤波 PWM 整流器网侧电流及其谐波分析 从图 4 和图 5 可以看出，LCL 滤波整流器的网侧电流中的高次谐波分量明显减少，电流 的谐波畸变率比 L 滤波整流器小的多，其中 2KHz 附近的谐波幅值从 2.0%左右降到了 0.6% 左右，THD 从 4.58%降低到 1.22%。因此，如果对电流谐波要求相同，达到同样的滤波效果， LCL 滤波 PWM 整流器的电感值要比 L 滤波整流器的电感值小的多，从而验证了该方案的优越 性。 5 结论 将 LCL 滤波器应用于 PWM 整流电路以减少功率器件 PWM 开关产生的纹波电流，并 提出了滤波器的参数设计方法，仿真结果表明，相对于 L 滤波，LCL 滤波的整流器能够有 效地滤除开关频率及其倍数次的谐波，降低电流谐波畸变率，验证了 LCL 滤波的优越性， 以及所提参数设计方法和控制方法的正确性。 [参考文献] (References) [1] 张崇巍,张兴. PWM 整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003. [2] HILL W A , KAPOOR S C .Effect of two-level PWM Sources on Plant Power System Harmonics[c]//IEEE CAS 1998.st.louis.USA:IEEE,1998:902～908 [3] BLAABJERG F, CHIARANTONI E, DELL’AQUILA A, et al. Analysis of the Grid Side Behavior of a LCL-filter Based Three-phase Active Rectifier[c]//IEEE ISIE 2003.Anlborg University, Denmark: IEEE, 2003:775～780 [4] M Lindgren, J Svensson. Control of a Voltage Source Converter connected to the Grid through an LCL-filter-application to Active Filtering[A].In Proc. of IEEE PESC’98[C].1998,(1):229～235. [5] 刘芳,LCL-VSR 的控制与设计[硕士学位论文],合肥:合肥工业大学，2008 年 3 月 [6] Marco Liserre, Frede Blaabjerg, Steffan Hansen. Design and Control of an LCL-Filter-Based Three-Phase Active Rectifier. IEEE Transactions on industry applications,41(5),2005,pp.1281～1291. [7] 张宪平,李亚西,潘磊等.三相电压型整流器的 LCL 型滤波器分析与设计[J].电气应用,2007,26(5):65～ 68 - 5 -