[发明专利]采用分裂电容串联阻尼电阻的LCL滤波器及设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及风电并网变流器技术领域，具体地，涉及一种采用分裂电容串联阻尼电阻的LCL滤波器及设计方法。

背景技术

三相电压源型并网逆变器具有输出电流谐波含量低，功率因数调节以及能量双向流动的优点，体积小且重量轻，因此在有源滤波、电力传统以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电系统等领域得到了广泛的应用。

采用PWM调制技术控制的三相电压源型并网逆变器的变流器侧会产生开关频率以及开关频率整数倍的谐波频率电流，该谐波电流会对电网电压造成污染，严重影响电气设备的运行和工作。为了消除变流器输出的电流谐波，并网逆变器的输出滤波器一般采用L型。单电感L型滤波器结构简单，但是其对高频谐波衰减特性不够理想，需要较大的电感量或者需要采用较高开关频率才能获取较为良好的电流衰减效果。在大功率应用场合，由于受到开关频率不能过高的限制，采用L型滤波器难以满足并网电流的谐波标准要求，常常采用LCL滤波器。相比L型滤波器，LCL滤波器对高频谐波具有更好的衰减效果，能够在相同电感量的情况下得到更为优异的滤波效果，相同滤波效果下，能够大大减小电感量，缩小电抗器的体积。

但是由于LCL滤波器属于三阶系统，存在谐振峰值，在谐振电流的激发下，容易导致变流器控制的不稳定，因此需要采取一定的谐振抑制措施。目前在大功率风电领域中应用较多的是无源阻尼法，如在电容支路上串联阻尼电阻。该方法不需要增加额外的控制算法，实现简单，但是加入的阻尼电阻会增加系统的额外损耗，尤其是大功率应用场合，往往需要为阻尼电阻增加专用的冷却装置。现有的有源阻尼方法通过修正控制算法替代阻尼电阻，常见的有虚拟电阻法、超前网络法、基于遗传算法的主动阻尼法，但是这些方法需要额外增加电压传感器或者电流传感器以及额外的复杂控制算法，不仅提高了系统的硬件电路成本，而且增加的传感器等器件也降低了变流器系统的整体可靠性。

如公开号为102522879A的中国发明专利，该专利提供一种LCL并网逆变器系统的有源阻尼方法，通过设置共轭零点或独立零点，对消LCL滤波器在并网逆变器系统中产生的共轭谐振极点或将共轭谐振极点吸引至稳定区域内，采用网侧电感电流反馈和引入LCL滤波器中的状态变量进行反馈补偿的方法来实现。通过对网侧电感电压进行反馈补偿，来控制LCL滤波器的谐振阻尼，进而对并网逆变器系统的进网电流波形和幅值进行控制，可以有效抑制电网电压谐波对进网电流的影响。

如公开号为102263417A的中国发明专利，该专利提供一种光伏并网逆变器中LCL滤波器混合阻尼参数设计方法,其特征在于采用了主动阻尼和被动阻尼协同工作的方法对LCL滤波器的谐振进行抑制。主动阻尼部分采用滤波器电容电流反馈的控制方法,被动阻尼部分采用滤波电容串联阻尼电阻的方法。对于一个LCL滤波器,在保证足够的阻尼系数的情况下,计算被动阻尼所需的阻尼电阻大小,以及主动阻尼的反馈系数,并对设计的协同控制阻尼方案进行校验,阻尼电阻的损耗尽可能小,系统控制延迟不对阻尼运行产生影响,且阻尼对于强电网接入和偏远地区弱电网接入均具有适应性。它适用于采用LCL滤波的并网光伏发电系统,以及燃料电池、风力发电并网系统。

公开号为102522879A的中国发明专利，通过采用网侧电感电压反馈补偿，实现了对LCL滤波器的谐振阻尼，该方案的明显缺陷是需要提供额外的电压传感器来采集电感电压，增加了系统的硬件成本，此外控制算法中采用的微分调节器数字实现是一个难点，且微分环节比较容易引入干扰，影响系统的控制精度和稳定性；公开号为102263417A的中国发明专利，通过采用在滤波电容器上串联阻尼电阻以及引入滤波器电容电流反馈的混合阻尼方案，实现了对LCL滤波器的谐振阻尼，该方案的最大优点是具有较强的电网适应能力，最大缺陷是需要提供额外的电流传感器来采集滤波器电容电流，增加了系统的硬件成本，且增加了算法的复杂程度。上述两种方案均为有源阻尼方案，有源阻尼控制最大的缺点是需要额外的传感器，通过修改控制算法实现对LCL滤波器的谐振阻尼，但是增加的传感器影响系统的可靠性，增加系统的故障点，给系统的可靠运行带来一定的安全隐患。对大功率风电变流器特别是应用于海上风电的变流器，系统的安全、可靠运行往往是设计者更为关注的重点，在这种情况下，无源阻尼控制不失为一种最好的选择方案。

传统的无源阻尼控制是在LCL滤波器的滤波电容支路上串联电阻，从而实现了对LCL滤波器的谐振阻尼，但是无源阻尼控制最大的缺陷是串联阻尼电阻需要消耗较大的有功功率，给系统的散热设计带来了一定的挑战，因此对于无源阻尼控制，如何降低阻尼电阻的功率损耗是个难点问题。

发明内容