基于LCL滤波器的风力发电变流器设计

　　由式（5）可以看出d、q轴电流不独立，存在交叉耦合关系，变流器电路虽是静止电路，但变换至旋转坐标系中，经电感作用会使d、q轴之间产生耦合，控制系统只有通过解耦才能单独控制id、iq,式中d-q轴电流除受控制量VdcSq、VdcSd的影响外，还受到交叉耦合电压 、 扰动和电网电压的扰动。因此单纯的d、q轴电流负反馈不能实现解耦。引入电流状态反馈解耦以及电网电压作为前馈补偿，即可实现由ud、uq分别独立控制。应用传统的PI控制器，控制效果不好，为此采用前馈解耦控制策略，三相同步旋转坐标系下电流控制时的电压指令为：

　　图2为变流器控制原理图，给定指令电压udc*与实际直流侧电压udc比较后经PI调节器得到电流有功分量指令iq,id、iq 与交流侧实际电流比较后经PI环得到指令电压Ud、Uq,经过电网电压、电感电压交叉分量的前馈补偿后， 将所得电压指令送入PWM合成器， 作为控制PWM开关的指令电压。为了提高变流器的动态性能，采用了直流电压外环和电流内环的双闭环控制方式，内环为电流环，外环为电压环。电压环的主要作用是控制直流母线电压，电流环根据电压环给出的电流指令对交流侧输入电流进行控制，控制算法考虑了d、q轴之间电流解耦；为了提高系统对负载扰动和电网电压波动的抗干扰能力，减少由此产生的波动，引入了电网电压的前馈控制。实现了网侧并网变流器的有功、无功的解耦控制。

　　2.2 滤波器设计

　　由于控制系统与T型滤波器本身的参数有关，因此在进行变流器控制系统设计前必须先确定滤波器的参数。对于典型并网逆变器，在不考虑电网谐波影响条件下，必须通过滤波电感衰减其输出电流中的开关频率谐波分量，其中开关频率的谐波电流计算式为：

　　式中fs为PWM信号的开关频率，fout为输出电流基波频率取50hz,L为滤波电感。同样在设计T型滤波器时首先参照典型并网逆变器电感设计方法，根据方程（12）和期望谐波电流幅值来确定T型滤波器中所需总电感量上限值，然后选取合适的电感量就可以获得对称的L1与L2参数。设计电容c2时要考虑所选择的电容参数既要对开关频率谐波电流有很好的分流作用，又要确保系统具有一定工作频带。电容c2的参数选择依据为：

　　其中p为谐波电流相对于额定输出电流的衰减系数，方程（7）（8）给出了针对开关频率谐波电流设计T型滤波器参数的基本原则。T型滤波器具有自身的谐振效应，为避免谐振的影响，该谐振频率应该限制在10倍的工作频率与1/2的开关频率之间，以免由于谐振问题在输出电流中产生较大的谐波，污染电能质量。

　　3 实验结果分析

　　为验证上述控制策略的实用性，在实验室构建了15KW的变速恒频风力发电的模拟平台，网侧变流器的额定功率为15KW,直流母线电压400V,直流侧平波电容6600uf,额定电流35A,L1=0.5mH,R1=R2=0.001Ω，L2=0.5mH, C2=100uF,开关频率设为2kHz.图3为采用LCL型滤波器的并网变流器输出的电压电流波形。并网变流器采用LCL型滤波器，可以有效衰减输出电流中的谐波分量，满足系统设计要求的同时降低滤波器电感取值，且不影响系统以负单位功率因数稳定运行。图4与图5分别为进行正负阶跃扰动实验时的电流响应波形，曲线i1为采用电感滤波的变流器电流波形，曲线i2为采用LCL型滤波器的变流器电流波形，从中可以看出与典型并网变流器相比，采用LCL型滤波器的并网变流器动态响应很快，100A-20A和20A-100A阶跃响应只需一个正弦波周期就可以进入稳态。

　　4 结束语

　　详细分析了采用LCL型滤波器的风力发电变流器在dq坐标系下的数学模型，针对采用LCL型滤波器对并网变流器系统带来的不稳定性，采用并网变流器电流。