三相电压型PWM整流器网侧LCL滤波器
并网LCL滤波的PWM整流器输入阻抗分析 (2)
2010年1月电工技术学报Vol.25 No. 1 第25卷第1期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jan. 2010 并网LCL滤波的PWM整流器输入阻抗分析李芬邹旭东邹云屏石晶吴振兴王成智唐健（华中科技大学电气与电子工程学院武汉 430074）摘要对并网LCL滤波的PWM整流器进行了深入研究，在电流环中通过引入滤波电容电流反馈控制来改变系统极点分布，抑制LCL滤波器自身的谐振和增加系统稳定性，以代替阻尼电阻的作用。
将控制器参数和物理模型结合建立了LCL滤波整流器的闭环高频输入阻抗模型，详细地分析了整流模式、有源逆变模式下阻抗特性，并研究了两种模式下公共耦合端（PCC）电压前馈的影响，为LCL滤波整流器的并网控制提供理论指导。
仿真和实验结果表明，LCL滤波整流器并网时可以有效减少注入电网中高次谐波含量，而引入滤波电容反馈控制策略是一种简单、可行抑制LCL谐振的方法，带PCC电压前馈有利于并网整流器小功率能量回馈的正常运行。
关键词：PWM整流器并网LCL滤波器滤波电容电流反馈PCC电压前馈中图分类号：TM461Input Impedance Analysis of LCL-Filter PWM RectifierConnected to GridLi Fen Zou Xudong Zou Yunping Shi Jing Wu Zhenxing Wang Chengzhi Tang Jian (Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China) Abstract Due to better attenuating current harmonics around switching frequency injected to the grid, L-filter is substituted by LCL-filter in grid connection of PWM rectifier. However, because of the resonance phenomenon of LCL-filter, it may bring stability problems in the current loop. In order to overcome them, a control strategy applying the filter-capacitor current feedback in the current loop is proposed to achieve the function of damping resistor. Then, the input impedance integrated the controller with the LCL-filter parameters in high frequency region is modeled and analyzed by the frequency responses of the transfer functions models, including the consumer mode and the power feedback mode. Also, the influence of the disturbance of point of common coupling (PCC) voltage is studied. Finally, the simulation and experiment tests show that LCL-filter is effective to reduce the switching frequency pollution emitted in the grid, the proposed control strategy is feasible to solve the resonance problem of the LCL-filter, and it’s easy to achieve power feedback operation under small power with PCC voltage feed forward.Keywords：PWM rectifier, grid connection, LCL-filter, filter-capacitor current feedback, PCC voltage feed forward1引言PWM整流器具有网侧功率因数可控、网侧电流正弦化、能量可双向流动、直流侧电压可调等优点，在交流不间断电源、交流调速以及变速恒频风力发电、光伏发电系统中得到广泛应用[1-3]。
LCL滤波三电平并网逆变器有源阻尼控制
LCL滤波三电平并网逆变器有源阻尼控制关键字：LCL滤波三电平逆变器1 引言随着能源枯竭和环境污染问题的曰益严峻，各国对绿色能源的渴求越来越紧迫，使得光伏并网系统得到了空前发展。
并网逆变器作为连接电池板与电网的核心设备，不仅要完成直流到交流的电能转换，而且要满足各电网公司对并网电能质量提出的要求，其中对电流谐波分量及总谐波畸变率的规定相对严苛。
然而，并网逆变器通常采用高频PWM的电流源控制，会导致并网电流中含有高次谐波。
由于LCL滤波器较L滤波器对高频谐波有更好的衰减特性，因此在光伏并网系统中得到广泛应用。
2 原理与设计2．1 LCL滤波三电平并网逆变器图1为基于LCL滤波的二极管箝位型三电平并网逆变器拓扑结构。
由于在桥臂相电压中含有3个电平，故可输出比传统两电平拓扑更平滑的线电压波形，从而在相同滤波电感量下可得到谐波含量更小的并网电流。
在三电平并网逆变器拓扑中，逆变桥通过LCL滤波器连接到电网，使高频谐波分量衰减更快，进一步改善并网电流质量。
2．2 LCL滤波器有源阻尼控制根据理论分析，可得网侧电流与逆变器桥臂电压函数关系的波特图见图2。
LCL滤波器参数：Ls=1．5 mH，Lt=2 mH，C=25μF；L滤波器参数：L=3．5 mH。
可见，LCL滤波器较L滤波器有更好的高频衰减特性，但却存在谐振问题，会使谐振点附近谐波含量增加，严重时将造成系统不稳定。
为了抑制LCL滤波器的谐振，在工程中通常给电容支路上串联或并联一定值的电阻，利用电阻的阻尼作用来稳定系统。
这种方法简单可靠，不用改变算法，但由于阻尼电阻损耗的存在，会使系统效率有所下降。
另一种方法是通过算法来抑制谐振的有源阻尼控制，如在控制闭环中采用虚拟电阻、超前滞后环节、双带通滤波器、电容支路电压高频分量、遗传算法、虚拟阻尼功率等方法亦可达到抑制效果，并且不会引起系统额外的损耗。
由于虚拟电阻有源阻尼控制法物理意义明确，易于实现，因此得到了一些应用。
三相电压型PWM整流器设计与仿真
三相电压型PWM整流器设计与仿真1 绪论随着功率半导体器件技术的进步，电力电子变流装置技术得到了快速发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各种变流装置，如变频器、逆变电源，高频开关电源以及各类特种变流器等，电力电子装置在国民经济各领域取得了广泛的应用，但是这些装置的使用会对电网造成严重的谐波污染问题。
传统的整流方式会无论是二极管不控整流还是晶闸管相控整流电路能量均不能双向传递，不仅降低能源的利用率还会增加一定的污染，主要缺点是：1）无功功率的增加造成了装置功率因素降低，会导致损耗增加，降低电力装置的利用率等；2）谐波会引起系统内部相关器件的误动作，使得电能的计量出现误差，外部对信号产生严重干扰；3）传统的结构，能量只能单向流动，使得控制系统的能量利用率不高，不能起到节能减排的作用。
电网污染的日益严重引起了各国的高度重视，许多国家都已经制定了限制谐波的国家标准，国际电气电子工程师协会(IEEE)，国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。
国际电工学会于1988年对谐波标准IEC555-2进行了修正，欧洲制定IEC1000-3-2标准。
我国国家技术监督局也于1994年颁布了《电能质量公用电网谐》标准(GB/T 14549-93)，传统变流装置大多数已不符合这些新的标准，面临前所未有的挑战。
目前，抑制电力电子装置对电网污染的方法有两种：一是设置补偿装置。
通过对已知频率谐波进行补偿，这种方式适用于所有谐波源，但其缺点是只能对规定频率的谐波进行补偿，应用范围受限。
并且当受到电网阻抗特性或其他外界干扰，容易发生并联谐振，导致某些谐波被放大进而使滤波器过载或烧毁；而是对整流器装置本身性能进行改造，通过优化控制策略和参数设置，使网侧输入的电压和电流呈现接近于同相位的正弦波，实现单位功率因数运行即功率因数为1。
目前治理谐波和无功主要是采用功率因数校正技术(PFC技术)，由于PWM调制技术引入整流器中，使得整流器能够获得较好的直流电压并且实现网侧电流正弦化，PWM整流技术已经成为治理电网污染的主要技术手段。
三相并网逆变器LCL滤波特性分析及控制研究
三相并网逆变器LCL滤波特性分析及控制研究一、概述随着可再生能源的快速发展，三相并网逆变器在分布式发电系统中扮演着越来越重要的角色。
由于并网逆变器产生的谐波会对电网造成污染，影响电能质量，滤波器的设计成为了一个关键问题。
LCL滤波器以其良好的滤波效果和较小的体积优势，在三相并网逆变器中得到了广泛应用。
LCL滤波器由电感、电容和电感组成，其特性分析对于优化滤波效果、提高电能质量具有重要意义。
本文将对三相并网逆变器LCL滤波器的滤波特性进行深入分析，包括其频率特性、阻抗特性等，以揭示其滤波机理和影响因素。
为了充分发挥LCL滤波器的优势，对逆变器的控制策略进行研究也是必不可少的。
本文将对三相并网逆变器的控制策略进行探讨，包括传统的PI控制、无差拍控制以及基于现代控制理论的先进控制策略等。
通过对不同控制策略的比较和分析，旨在找到最适合LCL滤波器的控制方法，以提高并网逆变器的性能和稳定性。
本文旨在通过对三相并网逆变器LCL滤波特性的分析和控制研究，为优化滤波效果、提高电能质量提供理论支持和实践指导。
这不仅有助于推动可再生能源的发展，也为电力电子技术的创新和应用提供了新的思路和方法。
1. 研究背景和意义随着可再生能源的快速发展和智能电网建设的深入推进，三相并网逆变器作为新能源发电系统与电网之间的关键接口设备，其性能与稳定性对于电力系统的安全、高效运行至关重要。
在实际应用中，并网逆变器产生的谐波会对电网造成污染，影响电能质量。
为了降低谐波污染，提高电能质量，LCL滤波器因其良好的滤波性能被广泛应用于三相并网逆变器中。
LCL滤波器作为一种典型的无源滤波器，能够有效地抑制并网逆变器产生的高频谐波，降低其对电网的污染。
LCL滤波器的引入也给并网逆变器的控制系统带来了新的挑战。
一方面，LCL滤波器的参数设计需要综合考虑滤波效果和系统稳定性另一方面，由于LCL滤波器固有的谐振特性，如果不加以控制，很容易引发系统振荡，影响逆变器的正常运行。
基于LCL滤波的PWM整流器稳定性控制的研究
２ １年 ６月 ０１
电力 电子技 术
Ｐ ｗｅ ｌ ｃｒ ｎ ｃ ｏ ｒＥ ｅ ｔ ｉｓ ｏ
Ｖｏ． ５，Ｎｏ６ １ ４ ．
Ｊｎ ０ １ ｕ ｅ２ １
基于 Ｌ Ｌ滤波的 Ｐ Ｃ ＷＭ 整流器稳定性控制的研究
韩 刚 ，蔡 旭 一 ，王 晗 ，张 建 文
（ ． 海 交 通 大 学 ， 力 发 电 研 究 中 心 ，上 海 １上 风 ２０ ４ ； ０ ２ ０
ｐ ｗｅ ｒｄ， Ｏ ｔ ａ ｖ ｉ ｃ ｍｐ ｉａｅ ａ ｓｖ ｒ ａ ｔ ｅ ａ ｉ ｇ ｌｏ ｉ ｍ． Ｌ ｆ ｔ ｒ ｗ ｔ ｉｈ ｒ ｒ ｓ ｎ ｎ ｅ ｆｅ ｏ ｒｇ ｉ Ｓ ｉ ｃ ｎ ａ ｏｄ ｏ ｌ ｔｄ ｐ ｓ ｉｅ ｏ ｃｉ ｄ ｍｐ ｎ ａｇ ｒｔ ＬＣ ｌ ｉ ｈ ｇ ｅ ｅ ｏ ａ ｃ ｒ － ｃ ｖ ｈ ｉ ｅ ｈ
ｑ ｅ ｃ ｈ ｗ ｅｔ ｒ ｉ ｈ ｂ ｔ ｇ ｅ ｅ ｔ ｏ ｏ ｏ ｄ ｒ ｈ ｒ ｎ ｃ ． ｉ ａｌ ｈ ｘ ｅ ｍｅ ｔｌ ｒ ｓ ｌ ｒ ｒ ｖ ｄ ｄ ｔ ａｉ ａ ｅ ｕ ｎ ｙ ｓ ｏ ｓ ｂ ｔ ｎ ｉ ｉ ｎ ｆ ｃ ｎ ｌ ｗ・ ｒ ｅ ａ ｍｏ ｉ ｓＦ ｎ ｌ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ａｅ ｐ ｏ ｉ ｅ ｏ ｖ ｌ ｔ ｅ ｉ ｙ ｉ ｓ ｄ ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ｎ ｌｓｓ ｏ ｈ ５ Ｗ ｘ ｅ ｍｅ ｔｌ ｐ ａ ｏ ｍ． ｈ ｈ ｏ ｅｉ ｌａ ａｙ ｉ ｎ ｔ ｅ ３ ０ ｋ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｌｔ ｒ ｃ ｉ ｆ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｒ ｃ ｉ ｅ ；ｆ ｔ ｒ ｙ ｒ ｓ：ｅ ｔ ｉｒ ｉ ｅ ；￣ｅ ｂ ｃ ｕ ｅ ｔ ｔ ｉ ｔ ｏ ｔ ｌ ｆ ｌ ｄ ａ ｋ ｃ ｒ ｎ ；ｓａ ｌ ｙ ｃ ｎ ｒ ｂ ｉ ｏ
三相并网逆变器LCL滤波器的参数设计与研究
三相并网逆变器LCL滤波器的参数设计与研究一、本文概述随着可再生能源的快速发展，三相并网逆变器在电力系统中的应用越来越广泛。
然而，并网逆变器产生的谐波会对电网造成污染，影响电能质量。
为了减小谐波对电网的影响，LCL滤波器被广泛应用于三相并网逆变器中。
LCL滤波器具有优良的滤波性能和高效率，因此，对LCL滤波器的参数设计进行研究具有重要意义。
本文旨在对三相并网逆变器的LCL滤波器参数设计进行全面研究。
介绍三相并网逆变器的基本原理及LCL滤波器的结构和功能；然后，分析LCL滤波器的主要参数（包括电感、电容等）对滤波器性能的影响，建立相应的数学模型；接着，根据电网谐波标准和电能质量要求，提出一种有效的LCL滤波器参数设计方法，并通过仿真和实验验证该方法的可行性和有效性；对LCL滤波器的优化设计和未来发展趋势进行讨论。
本文的研究不仅有助于提升三相并网逆变器的电能质量，还可为相关领域的研究提供有益的参考和借鉴。
二、三相并网逆变器与LCL滤波器的基本原理三相并网逆变器是一种将直流（DC）电源转换为三相交流（AC）电源的设备，主要用于将可再生能源（如太阳能、风能等）生成的直流电转换为适用于电网的交流电。
其核心功能是实现电能的转换与控制，以满足电网对电能质量的要求。
三相并网逆变器通常包括功率开关管、滤波器和控制策略等部分，其中滤波器的设计对于减小逆变器输出电流中的谐波分量，提高电能质量具有关键作用。
LCL滤波器是一种三阶滤波器，由电感（L）、电容（C）和另一个电感（L）组成，其结构特点是在电容两侧各有一个电感。
这种结构使得LCL滤波器在高频段具有较大的阻抗，而在低频段具有较小的阻抗，因此能够有效地滤除逆变器输出电流中的高频谐波分量，同时减小滤波器对逆变器输出电压的影响。
在三相并网逆变器中，LCL滤波器通常连接在逆变器的输出端，用于滤除逆变器输出电流中的谐波分量。
滤波器的设计需要综合考虑滤波效果、系统稳定性、成本等多个因素。
LCL滤波的单相三电平PWM整流器比例谐振控制
LCL滤波的单相三电平PWM整流器比例谐振控制聂海龙;徐定成【摘要】鉴于电流环传统PI控制存在稳态误差等缺点,在网侧电流外环中采用准比例谐振（PR）控制器,减小稳态误差及实现网侧单位功率因数的同时,可针对特定次谐波进行补偿;采用电网电压前馈策略以减小电网电压对电流环的干扰;使用单相三电平空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术,在进一步抑制谐波的同时易于数字化实现。
仿真分析验证了所提方法的正确性和可行性。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】6页(P61-66)【关键词】三电平PWM整流器;LCL滤波器;PR控制器;电网电压前馈;空间矢量脉宽调制【作者】聂海龙;徐定成【作者单位】重庆长厦安基建筑设计有限公司,重庆400044;;【正文语种】中文【中图分类】TM4610 引言PWM整流器具有直流侧电压可控，网侧输入电流谐波含量小，能量可双向流动以及可实现单位功率因数等优点，广泛应用于工业领域，如统一潮流控制器、混合并联型有源电力滤波器以及光伏并网发电等场合。
其中，三电平PWM整流器因其功率器件电压应力低，能降低器件的耐压等级以及减小开关损耗等优点，特别适合于电压等级较高的中、大容量整流场合［1］。
PWM整流器采用的滤波器主要有L型和LCL型两种。
LCL型滤波器对高次谐波具有更好的衰减能力，可在总电感值比L型滤波器小得多的情况下，得到相同的滤波效果。
由于三电平PWM整流器电压等级高、容量大，开关频率相对较低，采用LCL型滤波器能够得到更好的滤波效果，但LCL型滤波器是一个三阶环节，对系统的控制策略要求更高。
采用网侧电流直接闭环控制的LCL型滤波的PWM 整流系统是不稳定的。
目前，抑制LCL型滤波器谐振，增加系统稳定性的方法主要有有源阻尼法［2-4］、无源阻尼法［5-6］等。
无源阻尼法是在 LCL滤波器的电容支路中串入阻尼电阻来增加系统的稳定性。
但阻尼电阻的存在增加了系统的功率损耗，降低了系统效率，不适合于电压等级高、容量大的三电平PWM整流系统。
大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计
大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计一、概述随着可再生能源和电力电子技术的快速发展，电力系统中逆变器的应用越来越广泛。
PWM（脉冲宽度调制）电压源逆变器以其高效、灵活的控制方式在各类电能转换场合中占据了重要地位。
PWM逆变器产生的谐波对电网的影响不容忽视，设计合适的LC滤波器以滤除这些谐波，提高电能质量，成为了当前研究的热点。
大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计涉及多个方面，包括滤波器的拓扑结构、参数优化、动态性能分析等。
本文首先介绍了PWM逆变器的基本原理及谐波产生的原因，然后详细阐述了LC滤波器的设计原则和方法，包括滤波器拓扑结构的选择、电感电容参数的计算与优化、以及滤波效果的评价指标等。
在此基础上，本文还讨论了滤波器设计中的一些关键问题，如滤波器的动态性能、热设计、电磁兼容性等。
通过案例分析，本文验证了所提设计方法的有效性和实用性。
通过本文的研究，旨在为大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计提供理论支持和实用指导，促进电力电子技术的可持续发展。
1. 介绍PWM电压源逆变器的应用背景及其在电力系统中的重要地位。
在现代电力系统中，PWM（脉宽调制）电压源逆变器已成为一种重要的电能转换装置，广泛应用于各种电力电子设备中。
作为一种将直流电能转换为交流电能的电子设备，PWM电压源逆变器在机械传动控制、电动机调速、太阳能电池、风能发电等领域发挥着至关重要的作用。
特别是在可再生能源领域，PWM电压源逆变器是太阳能电池板和风力发电机与电网之间的关键接口，能够实现电能的稳定、高效转换，从而满足各种负载的需求。
PWM电压源逆变器的核心在于其独特的脉宽调制技术，该技术能够根据输入信号的特点，以一定规律调制输出信号的占空比，从而达到对输出电压的精确调节。
这种技术不仅可以实现输出电压的频率和幅值的灵活调节，还能够生成各种不同形状的波形，如正弦波、方波和三角波等，以满足不同负载的需求。
PWM电压源逆变器还具有高效率、高可靠性、低谐波污染等优点，因此在电力系统中得到了广泛应用。
PWM型逆变器输出LC滤波器参数设计（自己整理的资料）
PWM型逆变器输出LC滤波器参数设计（自己整理的资料）
目录
1.LC滤波器设计原则 (2)
1.1.原则1 (2)
1.2.原则2 (2)
1.3.原则3 (2)
2.设计步骤 (2)
2.1.计算电抗器电感值 (2)
2.2.选择截止频率 (2)
2.3.计算滤波电容 (2)
1.LC滤波器设计原则
1.1. 原则1
输出额定电流时，电抗器上电压降应该小于额定输出电压的10%。
即满足：
ωL I N≤10%U N
1.2. 原则2
滤波电容上损耗的电流应该小于额定输出电流的10%。
即满足：
ωC U0≤10%I N
1.3. 原则3
ＬＣ滤波器截止频率应该远小于输出交流的最低次谐波频率，并且远大于基波频率，一般取1/10到1/5的载波频率。
f s 10<<="" p="">
f s
5
2.设计步骤
2.1. 计算电抗器电感值
根据原则1计算电抗器的电感值，一般取
ωC U0≤10%I N
以保证滤波效果。
2.2. 选择截止频率
根据原则2选取LC滤波器的截止频率f L。
2.3. 计算滤波电容
根据计算出的电感和选取的截止频率，计算电容值。
截止频率公式为：
f L=
1
2πLC
可以得到
C=1
L
ωL2，式中，角频率ωL=2πf L
电容的基波电流参数可以由下式计算:
I C=ω1CU O 式中，ω1是基波角频率，U O是额定输出电压。
三相并网逆变器LCL滤波器的研究及新型有源阻尼控制_陈新
控制上使得电容电压 u C 和网侧电流 i2 同相位，
（ 6）
网侧等效阻抗
Z grid Z b j L2
（ 7）
由此可见， 当检测滤波电容电压 u C 和网侧电流
i 2 时，网侧等效阻抗呈容性。电路表现为电容（容
值为 1/ 2 L2 ）与基准阻抗串联，如图 4b 所示。
图3 不同阻尼电阻连接方式下 LCL 滤波器的伯德图 Fig.3 Bode diagram of LCL filter with damped resistor in different positions
Compared with the traditional L type filter, LCL type filter is more suitable for
three-phase grid-connected inverter which used in the high-power because of its lower cost and good performance in harmonic suppression. The variation of net impedance is analyzed according to the different positions of voltage and current sensors in the inverter. The stabilization analysis of system is also discussed on the paper in different current control ways. To the question of resonance in the LCL filter and the application of passive damped resistor will cause the power loss and affect the system efficiency, the system control models and transfer functions which based LCL filter capacitor-series and parallel damped resistor are constructed. According to the principle of equivalent function, the system control strategy which based on LCL filter capacitor-series and parallel active virtual damped resistor is obtained with the feedback of filter capacitor voltage on this paper. The control strategy which based on LCL filter capacitor-parallel active virtual damped resistor is verified in the Matlab/Simulink and experiment. The results of simulation and experiment show the current of grid is stabilization and low THD, and the system power loss is not increased at the same time. Keywords ： Grid-connected inverter, stabilization analysis, LCL filter, active virtual damped resistor, control strategy
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2007年9 月电工技术学报Vol.22 No.9 第22卷第9期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2007三相电压型PWM整流器网侧LCL滤波器陈瑶金新民童亦斌（北京交通大学电气工程学院北京 100044）摘要提出一套三相电压型PWM整流器网侧LCL滤波器的设计方法。
与传统的L滤波器相比，该设计可以降低电感量，提高系统动态性能，降低成本。
在中大功率应用场合，其优势更为明显。
在详细阐述各元件的取值原则与计算步骤的基础上，给出了设计实例，并对所设计的LCL 滤波器进行了仿真和实验验证。
实验结果表明，经过LCL滤波，系统在保证网侧高功率因数的同时电流谐波成分大为削弱，从而验证了该设计方案的优越性。
关键词：LCL滤波器三相电压型PWM整流器谐波分析功率因数中图分类号：TM48Grid-Side LCL-Filter of Three-Phase Voltage Source PWM RectifierChen Yao Jin Xinmin Tong Yibin（Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）Abstract A design method for the grid-side LCL-filter of three-phase voltage source PWM rectifier is presented, which allows to use reduced values of inductance, improve system dynamic performance and reduce cost compared to traditional L-filter. These advantages are even more attractive in middle and high power applications. In this paper, the design criterion and calculation procedures are introduced in detail. A design example is reported, and the obtained LCL-filter is realized and tested by simulation and experiments. Experimental results show that the obtained LCL-filter can provide sufficient attenuation of current harmonics and meanwhile ensure a high grid-side power factor. The advantages of this design method are demonstrated.Keywords：LCL-filter, three-phase voltage source PWM rectifier, harmonic analysis, power factor1引言三相电压型PWM整流器（三相VSR）因其能够同时控制直流电压和网侧功率因数而被广泛应用于电机驱动、蓄电池充放电控制和并网发电等场合[1-3]。
三相VSR传统的网侧滤波器为L滤波器，由电感L将高频电流谐波限制在一定范围之内，减小对电网的谐波污染。
但随着功率等级的提高，特别是在中高功率的应用场合，开关频率相对较低，要使网侧电流满足相应的谐波标准所需的电感值太大。
这不仅使网侧电流变化率下降，系统动态响应性能降低[4]，还会带来体积过大成本过高等一系列问题。
同时，为使PWM整流器矢量三角形成立，在同等功率等级下，电感值越大则需要中间直流电压越高，导致开关管耐压水平也要相应提高，从而进一步增加了成本。
目前，解决这一问题最有效的方法是采用LCL 滤波器取代传统的L滤波器[5-6]，系统主电路如图1所示。
其中，Q1～Q6为IGBT，L g为网侧电感，L 为整流器侧电感，C f为滤波电容，R是为避免LCL 滤波器在其谐振点出现零阻抗而设置的阻尼电阻，C为直流侧支撑电容，U dc为中间直流电压，e x表示各相网压，u x表示整流器交流侧输出相电压，i x为整流器侧相电流，i g x为网侧相电流，i f x为电容支路相电流。
其中x=a，b，c，电流参考方向如图1所示。
要达到相同的滤波效果，LCL滤波器的总电感量比L滤波器小得多，有利于提高电流动态性能，使中间直流电压的取值更为合理，同时能降低成本，收稿日期 2006-08-28 改稿日期 2006-11-17第22卷第9期陈 瑶等 三相电压型PWM 整流器网侧LCL 滤波器 125减小装置的体积重量。
在中大功率应用场合，LCL 滤波器的优势更为明显。
然而，如果元件参数设计不合理，则达不到预期的滤波效果，甚至会增加电流的畸变，造成系统性能的恶化。
近年来，很多文献对LCL 滤波器的设计进行了研究，如文献[7]指出滤波电容C f 的取值要因传感器位置的改变而不同，不过并未对整流器侧电感L 的取值进行深入探讨；文献[8-9]提出用有源阻尼算法取代阻尼电阻，提高系统效率，但算法设计比较繁杂，在效率损失允许的情况下，阻尼电阻仍是目前最简单可靠的选择。
图1 基于LCL 滤波器的三相电压型PWM整流器主电路图Fig.1 Power circuit of three-phase voltage sourcePWM rectifier based on LCL-filter本文在深入分析LCL 滤波器设计原理的基础上，结合前人的研究成果，提出一套更为全面而简洁的设计方法，详细阐述了各滤波元件的取值原则和计算步骤，并给出了15kW 三相VSR 网侧LCL 滤波器的设计实例及相应的仿真与实验波形。
实验结果验证了设计方案的优越性，所设计的LCL 滤波器总电感量远小于L 滤波器，开发成本降低，网侧电流总谐波畸变为3%，系统的控制性能也得到了保证。
2 LCL 滤波器设计步骤若将网压和整流器交流侧输出电压用电压源表示，暂不考虑阻尼电阻，则系统单相电路拓扑如图2所示。
通过选取电容电感的值，可以任意调整网侧电流谐波成分在整流器侧电流谐波成分中所占的比例，其余谐波成分均由电容支路旁路。
也就是说，图2 系统单相拓扑图 Fig.2 Single phase system topology对应同样的网侧电流谐波标准，在设计整流器侧电感L 时，可以将电流限值按比例放宽，电感值也就随之下降。
2.1 整流器侧电感L 设计暂不考虑L g 和C f ，认为网压谐波成分为零，整流器交流测输出电压各阶谐波幅值为u (h )，整流器侧电流各次谐波幅值限制在i (h )（h 为谐波次数），则电感L 为[10]b ()max()u h L h i h ω= h =2，3， (1)其中，ωb =2πf b 为基波角频率。
i (h )由相应的谐波标准确定，而u (h )则随选用的脉冲调制方法及其对应的调制参数的变化而不同。
目前三相电压型PWM 整流器多采用空间矢量脉宽调制（SVPWM ）发生脉冲[11]，相应的电压谐波幅值u (h )可以通过对u x 进行傅里叶分析得到，具体计算将在本文设计实例中介绍。
2.2 滤波电容C f 设计若没有电容支路，则网侧电压和电流传感器的放置只有一种选择，PWM 整流器控制网流与网压同相位，整个系统呈现纯阻性，阻值Z b 如式（2）所示。
Z b =2E P（2） 式中 Z b ——系统基准阻抗E ——网侧线电压有效值 P ——系统功率加入电容支路后，网侧电压电流传感器的放置共有四种组合方式，如图3所示。
若控制上同样使所测电流与电压保持同相位，则此时从网侧看入的等效阻抗将有所变化，各不相同。
现将四种情况下的系统等效电路及阻抗标幺值分析计算如下：（1）检测电容电压v C 和整流器侧电流i 。
由于控制上使得v C 和i 同相位，因此从网侧看，电路表现为电容C f 和基准阻抗并联后，再与网侧电感L g 串联，如图3a 所示。
令X g =ωL g ，X =ωL ，X C =1/ωC f ，各元件的标幺值为x g =X g /Z b ，x =X /Z b ，x C =Z b /X C ，则有Z grid =j X g +bbj j C C X Z X Z −−+ （3）将上式左右两边同除以基准阻抗Z b 化为标幺值，忽略x C 平方项，则有z grid =grid g g 2b j 11j j 1j 1CC CZ x x x Z x x +−==+++126电 工 技 术 学 报 2007年9月（a ）检测电容电压、整流器侧电流（b ）检测电容电压、网侧电流（c ）检测网侧电压、网侧电流（d ）检测网侧电压、整流器侧电流图3 电压电流传感器位置摆放及相应等效电路图 Fig.3 Positions of voltage and current sensors and thecorresponding equivalent circuits≈1+j(x g −x C ) （4） 由此可见，选择x C =x g 即可让网侧呈现纯阻性。
（2）检测电容电压v C 和网侧电流i g 。
由于控制上使得v C 和i g 同相位，因此从网侧看，电路表现为电感L g 和基准阻抗串联，如图3b 所示。
此时网侧等效阻抗标幺值如式（7）所示，网侧阻抗呈感性。
z grid =1+j x g （5）（3）检测电网电压e 和网侧电流i g 。
由于控制上使得e 和i g 同相位，因此从网侧看进去电路表现为纯阻性，如图3c 所示，此时网侧等效阻抗标幺值为z grid =1 （6）（4）检测电网电压e 和整流器侧电流I 。
从网侧看，等效阻抗为Z grid =g E I =f +EI I（7） 式中 E ——电网电压空间矢量I g , I f , I ——网侧电流、电容电流和整流器侧电流空 间矢量设U 为整流器交流侧输出电压空间矢量，由三相VSR 单位功率因数工作时所满足的矢量三角形可得U =E −j ω(L g +L )I （8）则I f 和I 分别满足I f =j j CL X ω+−I U（9）EI=Z b （10） 将式（7）～式（9）联立可得Z grid =bb j j C CX Z Z X −− （11）标幺值如式（11）所示，即网侧等效电路表现为电容C f 与基准阻抗并联，如图3d 所示。
z grid =1−j x C （12）由等效阻抗的分析可以看出，理论上，传感器采用图3a 或图3c 所示的放置模式均可以满足网侧单位功率因数的要求。