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作者：www.www.pcmenaggio.com 發(fā)布日期：2015-01-15 22:48 信息來(lái)源：http://www.www.pcmenaggio.com
1 引言
基于脈沖寬度調制（PWM）技術(shù)的逆變器廣泛應用于各型變頻及電能變換裝置中。由于PWM調制技術(shù)自身的技術(shù)特性，決定了逆變器輸出交流電力中含有較多的高次諧波分量，該類(lèi)諧波分量的存在將直接影響交流電力品質(zhì)，因而，必須在逆變器輸出側設置交流低通LC濾波器，以?xún)?yōu)化交流電力品質(zhì)，在充分研究LC濾波器對逆變器傳輸效率及系統穩定性影響的基礎上，提出了一種三相逆變器輸出LC型濾波器設計方法。
2 逆變器輸出交流諧波分析
PWM逆變器輸出交流諧波呈如下特點(diǎn)：
1）諧波分量以角頻率（nωC±kω1）分組分布在輸出交流頻譜中，其中ωC為載波角頻率，ω1為信號波角頻率，n，k 為諧波系數；
2）每組諧波以載波角頻率nωC為中心，邊頻為kω1分布其兩側，其幅度兩側對稱(chēng)衰減；
3）隨著(zhù)載波角頻率ωC的不斷增加，諧波頻譜將整體向較高頻帶上移動(dòng)。
通過(guò)上述交流諧波分析，根據交流用電設備對電力品質(zhì)的相關(guān)要求，結合LC濾波器的結構簡(jiǎn)潔、高頻諧波抑制效果較好等技術(shù)特點(diǎn)，采用低通LC型濾波器實(shí)現逆變器輸出交流電力品質(zhì)優(yōu)化為最佳方式。
3 交流三相LC濾波器基本結構
通常情況下，交流三相LC濾波器的基本結構主要有星形結構和三角形結構2種，其基本結構如圖1所示。
圖1 中，L1，L2，L3 代表濾波電感，且均相等，C1，C2，C3代表濾波電容，且均相等。其中，圖1a為星形結構的交流三相LC濾波器，主要用于三相交流接地系統中；圖1b為三角形結構的交流三相LC濾波器，主要用于三相交流不接地系統中。
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4 設計方法
4.1 設計流程
逆變器輸出LC濾波參數設計流程如下：
1）根據逆變電源的載波頻率fC值，確定LC濾波器的截止頻率選取范圍，并選定截止頻率點(diǎn)，通常從截止頻率選取范圍的中間值進(jìn)行選��；
2）根據電路傳輸理論，計算出最優(yōu)傳輸效率下的LC濾波器的L，C 值；
3）根據負載容量要求，驗算此時(shí)的LC濾波器出口電力容量是否滿(mǎn)足交流用電設備的電力容量要求；
4）根據系統穩定要求，驗算此時(shí)的系統諧振頻率是否符合系統穩定運行要求；
5）利用Matlab/Simulink建模與仿真平臺，進(jìn)行系統仿真分析驗證。
4.2 設計原理
為了開(kāi)展LC濾波器參數的設計，考慮到交流三相系統的對稱(chēng)性，需要將逆變器出口的交流三相系統轉換為等效的單相系統，則得到的等效單相電路如圖2所示。
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圖2中，Is為電感電流；Io為輸出相電流；IC為電容電流；Uo為輸出相電壓；L為單相等效濾波電感，不論采用星形結構，還是采用三角形結構，均有L=L1=L2=L3；C為單相等效濾波電容，如果采用星形結構，則有C=C1=C2=C3，如果采用三角形結構，則有C=3×C1=3×C2=3×C3；R，Lm為交流用電設備的等效阻抗參數，其中，R為等效電阻，Lm為等效電感。
4.2.1 截止頻率范圍確定
截止頻率fC是LC濾波器的重要參量。在進(jìn)行截止頻率計算之前，需要做出適當的前提假設：
1）直流電源為理想電壓源；
2）逆變變頻電源的功率開(kāi)關(guān)器件為理想開(kāi)關(guān)；
3）忽略濾波電感及濾波電容的寄生參數及系統交流電力傳輸電纜的寄生參數。
根據時(shí)域分析法的基本原理，二階LC濾波器的傳遞函數為
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式中：fL為L(cháng)C濾波器的截止頻率；ωL為L(cháng)C濾波器的截止角頻率；Uo (s)為濾波器的輸出電壓；Ui(s)為濾波器的輸入電壓；s 為拉普拉斯變換算子。
為了使得逆變器輸出交流電力品質(zhì)達到要求，要求LC濾波器的截止頻率應遠小于輸出交流中最低次諧波頻率，同時(shí)，又要遠大于基波頻率。由于逆變器的載波頻率fC 較高，通常在幾kHz以上，遠大于10倍基波頻率，因而，fL選擇范圍為載波頻率的1/10～1/5，即：
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fC10< fL <fC5（2）
這時(shí)，即可根據式（2）得到截止頻率選擇范圍，在計算濾波參數L，C 時(shí)，可依據該范圍確定具體的截止頻率點(diǎn)，通常從其選擇范圍中間值進(jìn)行選擇。
4.2.2 LC參數計算
根據LC濾波器的傳遞函數，其截止頻率由濾波電感L 和濾波電容C 的乘積確定，在確定截止頻率后，L 和C 值還需要分別確定。本文借鑒文獻［3］的研究成果，得到濾波電感：
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并得到濾波電容：
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這時(shí)，可根據4.2.1節中確定的截止頻率點(diǎn)，依據式（3）計算出該截止頻率點(diǎn)下的濾波電感L 值，再根據式（4）得到濾波電容C 值，最后，利用單相電路與三相電路的電氣關(guān)系，即計算出三相電路中的L和C 值。
4.2.3 負荷容量驗算
考慮到交流用電設備的負荷要求，結合LC型濾波器為無(wú)功負載的這一特點(diǎn)，應對濾波器出口處的電力容量進(jìn)行驗算，以期驗證該參數配置下的負載入口處的電力容量是否滿(mǎn)足負載自身要求。
根據交流電路傳輸理論，LC濾波器出口處的電力容量的計算公式為
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式中：Q 為L(cháng)C濾波器單相等效無(wú)功容量，則3Q 為三相LC濾波器的無(wú)功容量；S 為逆變器出口處的電力容量；S1為L(cháng)C濾波器出口處的電力容量。
再利用交流用電設備相關(guān)計算公式，計算出其要求的電力容量，該計算公式如下：
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式中：λ為交流用電設備的功率因數；P為交流用電設備的額定功率；S2為交流用電設備的電力容量，即交流用電設備要求系統提供的最小電力容量。
根據相關(guān)標準、規范等文件的具體要求，通常要求LC濾波器出口處的電力容量S1的80%應不小于交流用電設備的電力容量S2。
4.2.4 系統穩定性驗算
根據圖2所示，系統存在電路諧振的情況，由于電路發(fā)生諧振時(shí)，會(huì )使得系統運行不穩定，因而，應使得LC濾波器與交流用電設備之間的諧振頻率盡可能遠離系統運行的頻率范圍。
根據電路諧振基本原理，該系統主要存在濾波電容C與交流用電設備之間的并聯(lián)諧振情況，因而，下面就該類(lèi)諧振進(jìn)行詳細分析研究。
根據電路原理，可以得到濾波電容C 與交流用電設備之間的并聯(lián)等效導納Y 為
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整理后，得到：
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式（8）中，等效電導G為
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等效電納B 為
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再根據并聯(lián)電路諧振基本原理，其發(fā)生諧振的條件是B=0，設定諧振頻率點(diǎn)為ωn，得到：
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結合濾波電容C值及交流用電設備等效阻抗值，即可得到此時(shí)的諧振頻率點(diǎn)，并與50 Hz比較后，即可判斷出系統是否發(fā)生諧振。
