基于二端口網(wǎng)絡(luò)分析的三相PWM逆變系統(tǒng) LC濾波器研究

王耀昕,郭 彤,盛玉和

(1.哈爾濱電氣國(guó)際工程有限責(zé)任公司,哈爾濱 150028;2.深圳棕櫚泉會(huì)所管理有限公司工程部,廣東 深圳 518000;3.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

基于二端口網(wǎng)絡(luò)分析的三相PWM逆變系統(tǒng) LC濾波器研究

王耀昕1,郭 彤2,盛玉和3

(1.哈爾濱電氣國(guó)際工程有限責(zé)任公司,哈爾濱 150028;2.深圳棕櫚泉會(huì)所管理有限公司工程部,廣東 深圳 518000;3.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

為解決三相PWM逆變系統(tǒng)開(kāi)關(guān)高頻開(kāi)斷存在沖擊較大和高次諧波電流問(wèn)題,通常需要設(shè)計(jì)逆變器輸出側(cè)LC濾波器,同時(shí)對(duì)LC濾波器的參數(shù)要求較高。對(duì)此,筆者從三相PWM逆變系統(tǒng)LC濾波器的原理出發(fā),提出采用二端口網(wǎng)絡(luò)分析法,建立三相PWM系統(tǒng)LC濾波器的數(shù)學(xué)模型和等效電路,以優(yōu)化設(shè)計(jì)LC電路參數(shù)。通過(guò)在MATLAB環(huán)境下搭建仿真平臺(tái)及進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的LC濾波電路的有效性。

二端口網(wǎng)絡(luò)分析;PWM逆變系統(tǒng);LC濾波器;MATLAB仿真

交流三相電壓源逆變器廣泛采用的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)控制方式是對(duì)逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等但脈沖寬度不等的脈沖,也就是在輸出波形周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖,通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度使等值電壓為正弦波形,來(lái)代替正弦波或所需要的波形。然而PWM逆變器直接與系統(tǒng)連接存在著一些問(wèn)題,一方面PWM電壓的dV/dt很大,給系統(tǒng)絕緣造成較大壓力,當(dāng)連接電機(jī)時(shí),三相PWM電壓的共模分量會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸承電流不穩(wěn),影響電機(jī)使用壽命甚至損壞電機(jī)[1]。另一方面,由于PWM調(diào)制技術(shù)的技術(shù)特性,決定了逆變器輸出的交流電能中含有較多的高次諧波分量,該類諧波分量的存在將直接影響交流電力品質(zhì)[2]。鑒于這兩方面原因,通常需要在逆變器的輸出側(cè)設(shè)置LC濾波器,以解決沖擊較大問(wèn)題并優(yōu)化交流電力品質(zhì)。但是LC濾波器的接入會(huì)影響逆變器輸出電流和電壓,所以系統(tǒng)對(duì)LC濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)要求較高,以避免因設(shè)計(jì)不當(dāng),產(chǎn)生LC的諧振問(wèn)題[3]。本文以三相四線PWM逆變系統(tǒng)的LC濾波器為研究對(duì)象,提出采用二端口網(wǎng)絡(luò)分析法,建立LC濾波器的數(shù)學(xué)模型和等效電路,完成對(duì)LC濾波器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí),在MATLAB環(huán)境下搭建仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真試驗(yàn),以驗(yàn)證所分析設(shè)計(jì)的LC濾波電路的有效性。

1 三相四線PWM逆變系統(tǒng)LC濾波器基本結(jié)構(gòu)

交流三相電壓源變流器的拓?fù)浞桨钢饕袃煞N:一種是三橋臂的變流器,它的第四路交流中性線直接連在直流母線的電器中性點(diǎn)上;另一種是四橋臂的變流器。三相四線LC濾波器的基本結(jié)構(gòu)主要有星形結(jié)構(gòu)和三角形結(jié)構(gòu),兩種結(jié)構(gòu)通過(guò)參數(shù)調(diào)整可以等效,因此本文主要研究星形結(jié)構(gòu)的三相四線LC濾波器,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 星形結(jié)構(gòu)的三相四線LC濾波器

從圖1可以看出,星形結(jié)構(gòu)三相四線LC濾波器功率級(jí)部分主要由四橋臂和LC濾波器電路組成。四橋臂電壓源變流器的四個(gè)橋臂分別由四對(duì)全控型功率器件組成,控制信號(hào)由控制器發(fā)出PWM控制信號(hào),通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的高頻通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。輸出電流經(jīng)LC濾波器電路連接到電網(wǎng),LC濾波器電路的主要作用就是對(duì)輸出電流的高次諧波進(jìn)行濾除。

2 基于二端口網(wǎng)絡(luò)的LC濾波器分析

LC濾波器電路二端口網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

由于交流三相系統(tǒng)的對(duì)稱性,在輸出部分三相之間沒(méi)有耦合關(guān)系,因此將逆變器出口的交流三相系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為等效的單相系統(tǒng),即對(duì)LC濾波電路的分析,也可以將三相電路簡(jiǎn)化為對(duì)單相電路進(jìn)行分析。

在圖2中,I1和I2分別為輸入和輸出電流,標(biāo)示的電流方向?yàn)閰⒖挤较?通過(guò)兩個(gè)端口上的電壓值分別為U1和U2。根據(jù)齊性定理和疊加定理,I1和I2應(yīng)為U1和U2的線性組合,即[4]

式中系數(shù)為此二端口的導(dǎo)納參數(shù),矩陣形式為

圖2 LC濾波器電路二端口網(wǎng)絡(luò)分析圖

設(shè)圖2(a)中的電阻值為R,電感值為L(zhǎng),電容值為C,通過(guò)對(duì)圖2(a)列節(jié)點(diǎn)電壓方程 解得

得到這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納參數(shù)矩陣為

圖2(a)的傳輸參數(shù)方程為

(1)

根據(jù)這個(gè)導(dǎo)納參數(shù)矩陣求得這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)方程為

(2)

LC濾波器電路一端口網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 LC濾波器電路一端口網(wǎng)絡(luò)分析圖

從圖3(b)輸出端口看,它是線性含獨(dú)立源的一端口網(wǎng)絡(luò),可用戴維南電路等效。其中,Uoc是從輸出端口看的等效電源,Zo是從輸出端口看的等效阻抗。

通過(guò)式(1)和式(2)求得Zo和Uoc:

其中Us是從輸出口看的存在電源,根據(jù)簡(jiǎn)化后的電路可求變流器的輸出電壓。經(jīng)過(guò)這個(gè)續(xù)流濾波二端口網(wǎng)絡(luò)后,輸出電流I2與參考電壓U1的關(guān)系為

U1=Us,得到輸出電流-I2為

由此可以看出:當(dāng)輸出電路參數(shù)固定后,輸出電流值是關(guān)于相對(duì)于輸出電路的輸入電壓U1和輸出電壓U2的一個(gè)函數(shù)。

3 LC濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)

PWM逆變系統(tǒng)工作于高頻PWM模式下,PWM逆變系統(tǒng)電壓的dV/dt很大,會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊,并且高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)諧波的污染,其輸出電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不良的諧波影響。因而必須在PWM逆變器的輸出側(cè)加低通濾波器來(lái)減小諧波含量,使輸出的波形達(dá)到平滑的正弦波形,減少諧波對(duì)電網(wǎng)以及負(fù)載的影響。傳統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)濾波器為L(zhǎng)濾波器[5],其中電感L將高頻電流限制在一定的范圍內(nèi),減少了對(duì)電網(wǎng)的危害。這種方式存在一些缺點(diǎn),如隨著功率的提高,所需電感值過(guò)大,動(dòng)態(tài)性能不是很理想,會(huì)造成體積過(guò)大或成本過(guò)高等問(wèn)題。因此本文采用LC濾波器來(lái)抑制電流諧波,其中的串聯(lián)電阻可以起到抑制沖擊電流的作用。為達(dá)到同等的濾波效果,設(shè)計(jì)LC濾波器電感量比L濾波器小很多[6]。

濾波器中L和C的參數(shù)選取,以及對(duì)LC濾波器的優(yōu)化是LC濾波器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。首先考慮濾波器的截止頻率,這樣可以消除逆變器輸出電壓中高于截止頻率的低次諧波。但是僅依據(jù)截止頻率還不能確定濾波器的參數(shù),還需綜合考慮濾波器的功率容量、體積等要素對(duì)逆變器的功率密度、重量、性價(jià)比等指標(biāo)的影響[7]。

為使圖2(a)LC濾波輸出電路起到對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波的作用,濾除開(kāi)關(guān)所帶來(lái)的高次諧波,設(shè)其中電感值為L(zhǎng)、電阻值為R、電容值為C,其傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率越高,PWM逆變器的輸入諧波頻率就越高,相對(duì)的濾波器開(kāi)關(guān)頻率越大。LC濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法有很多,本文使用BODE圖分析法對(duì)LC濾波器電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),假設(shè)該電路的開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz,可得LC濾波器參數(shù)電感及電容的設(shè)計(jì)值為:L=2 mH;R=4;C=60 μF。

LC濾波器輸出電路的截止頻率為3 kHz,在10 kHz處系統(tǒng)增益比已達(dá)到-20 dB,可以對(duì)開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz所引入的的高次諧波進(jìn)行濾除,這說(shuō)明該LC濾波器可較好地對(duì)高頻分量起到抑制作用。

4 仿真分析

在MATLAB環(huán)境下搭建該問(wèn)題的仿真平臺(tái)(仿真電路見(jiàn)圖1),三相PWM逆變系統(tǒng)通過(guò)LC濾波器進(jìn)行輸出,分別記錄LC濾波器前后的輸出電流,如圖4所示,上圖為三相PWM逆變系統(tǒng)LC濾波器前的輸出電流,下圖為通過(guò)LC濾波器后的輸出電流。

從圖4可以看出,該系統(tǒng)所帶的高頻諧波電流通過(guò)LC濾波器后,基本被消除；通過(guò)二端口網(wǎng)絡(luò)分析法,建立的LC濾波器數(shù)學(xué)模型可較好反映LC濾波器的物理本質(zhì),其設(shè)計(jì)的LC濾波器的參數(shù)可以平滑PWM電壓dV/dt的沖擊,并對(duì)PWM高頻開(kāi)斷引發(fā)的高頻諧波電流具有較強(qiáng)的抑制效果。

圖4 PWM系統(tǒng)的輸出波形

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Research on LC filter in three-phase PWM inverter system based on two-port network analysis

WANG Yaoxin1, GUO Tong2, SHENG Yuhe3

(1.Harbin Electric International Company Limited, Harbin 150028, China; 2. Palm Springs Holdings, Shenzhen 518000, China;3. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China)

Since greater impact and higher harmonic current always took place when the switch under high-frequency current broke in three-phase PWM inverter system, the LC filter at the inverter output side were required to design with higher requirement for LC filter parameters. Aiming at these problems, the author proposed to adopt two-port network analysis based on the principle of LC filter in three-phase PWM inverter system. It is a method that established the simulation platform under MATLAB based on the design of LC circuit parameters through the deduced mathematical model and equivalent circuit of LC filter in three-phase PWM inverter system. Through the simulation under MATLAB, the effectiveness of the designed LC filter circuit was verified.

two-port network analysis; PWM inverter system; LC filter; MATLAB simulation

2015-06-22。

王耀昕(1971—),男,碩士研究生,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)殡姀S發(fā)電效率。

TM464

A

2095-6843(2015)06-0524-04