[发明专利]一种单相PAPF输出LCL滤波器的参数设计方法

摘要

本发明公开了一种单相PAPF输出LCL滤波器的参数设计方法，其特征是：在对特定负载条件下单相PAPF的补偿电流进行傅里叶分析的基础上，综合考虑LCL参数设计的各项限制因素以及LCL滤波器参数选择和PAPF直流侧电压选择的耦合关系，通过数学解析式结合图形的方法准确推导出单相PAPF输出LCL滤波器各项参数和PAPF直流侧电压参数。本发明综合考虑各种限制因素，提高了LCL参数设计精度，并能达到同时设计出LCL滤波器和PAPF直流侧电压参数的目的。

主权项

一种单相PAPF输出LCL滤波器的参数设计方法，所述单相PAPF输出LCL滤波器是指在由电感L₁、电感L₂和电容C构成的LCL滤波器中，所述电感L₁的一端连接单相PAPF桥臂侧，另一端与电感L₂的一端相连接，所述电感L₂的另一端作为滤波器输出与电网和非线性负载相连，所述电容C与电感L₁并联；其特征是：所述参数设计按如下步骤进行：步骤1：对于单相桥式二极管不控整流电路带电阻和大电感负载形式的非线性负载，由式(1)得到所述非线性负载接入电网时的负载电流i_L的傅里叶级数：$i_L=\sqrt{2}{I}_1(\sin \mathrm{\ωt}+\underset{k=\mathrm{1,2,3},...}{\overset{\∞}{\underset{n=2k+1,}{\mathrm{\Σ}}}}\frac{1}{n}\sin \mathrm{n\ωt})---\left(1\right)$式(1)中，I₁为电网基波电流有效值，ω为电网角频率；由式(2)得到PAPF发出的谐波电流i_h和基波无功电流i_1q之和，即补偿电流i_A为：式(2)中，为负载电流i_L的位移因数角；则有式(3)：当t＝0时：最大谐波和无功变化率为：电网电压e_s为：式(5)中，U_s为电网电压有效值；步骤2：在满足谐波和无功电流跟踪性能时，LCL滤波器的电感总量L的上限值L_max为：式(6)中，U_dc为PAPF直流侧电压；步骤3：LCL滤波器的谐振角频率ω_n为：${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{L_1+L_2}{L_1{L}_{2}C}}---\left(7\right)$设定LCL滤波器的谐振频率范围为[(1.2～1.5)f_c，0.5f_sw]，其中，f_c为负载电流的谐波最大频率，f_sw为功率器件的开关频率。步骤4：由式(8)给出网侧电感纹波电流i_2w和PAPF侧电感纹波电流i_1w之比η为：$\mathrm{\η}=\frac{i_{2w}}{i_{1w}}\≈\frac{1}{|1+\frac{L_2}{L_1}(1-{\mathrm{\ω}}_w^2{L}_{1}C)|}---\left(8\right)$式(8)中，ω_w为纹波角频率；对于式(8)进行数学变换得到式(9)：$L_1=(\frac{{\mathrm{\ω}}_w^2}{{\mathrm{\ω}}_n^2}-1)\mathrm{\ηL}---\left(9\right)$步骤5：在满足PAPF侧电感纹波电流大小要求时，PAPF侧电感L₁的下限值L_1min为：$L_{1\min }=(U_{\mathrm{dc}}-|e_s\left|\right)\·\frac{\left|e_s\right|T_w}{{\mathrm{\Δi}}_{A\max }{U}_{\mathrm{dc}}}---\left(10\right)$式(10)中，Δi_Amax为PAPF侧电感L₁上纹波电流最大值，T_w为纹波周期；并有：LCL滤波器的电感总量L的下限值L_min为：步骤6：设定LCL滤波器中电容C产生的无功功率为不超过5％的系统额定功率，即：$C\≤5\%\frac{I_n}{\mathrm{\ω}{U}_s}---\left(12\right)$式(12)中，I_n为PAPF的额定电流；联立式(7)和式(12)，得：$L\≥\frac{\mathrm{\ω}{U}_s}{0.009375{\mathrm{\ω}}_n^2{I}_n}---\left(13\right)$步骤7：根据式(6)、式(11)和式(13)作图得到L‑U_dc的关系曲线图，将LCL滤波器的电感总量L和PAPF直流侧电压U_dc确定在一个类三角形区域内，并根据LCL滤波器电感总量L和PAPF直流侧电压U_dc越小越好的原则，确定LCL滤波器电感总量L以及PAPF直流侧电压U_dc的最佳值，再由式(9)确定网侧电感L₂和PAPF侧电感L₁的参数值，最后由式(7)确定滤波电容C的参数值。