论文总字数：21788字

摘 要

PWM 整流器拥有网侧电流正弦化、能量可双向流动与实现单位功率因数运行等优点，在新能源等电能转换领域发挥着越来越重要的作用。传统的单电感变换器在效率，体积等方面存在的缺陷与不足限制着其发展，而基于LCL滤波器的PWM整流器可以解决上述问题。

本文从讨论L型变换器的不足入手，引出LCL型VSC变换器。其在交流侧采用了 LCL 滤波器，更加有效地抑制了谐波，对高频电流谐波有显著抑制作用，能够在相同的谐波要求下，减小电感体积，使系统体积较小，可以大范围地应用于大功率AC/DC 变换器中。此外，LCL型VSC变换器能够在直流侧短路故障时使故障电流接近或低于额定值，提高系统动态性能，这对于高压直流输电有重大意义，尤其是在大功率传输网络中。

滤波器的参数设计及优化是本文的一个重要问题，LCL滤波器是一个三阶系统，参数选择设计更为复杂。对于网侧电感、交流侧支路电容和交流侧电感的参数的设定对得到较好的滤波性能具有重要意义和影响。本文建立了 LCL 滤波的PWM 整流器在a-b-c坐标系和d-q坐标系下的数学模型。

最后讨论了系统发生直流侧短路故障的情况，搭建了LCL型VSC变换器的仿真模型，并对仿真结果进行了讨论。

关键词：LCL型VSC，参数设计，直流侧短路故障

LCL VSC Converter for High-Power Applications

Abstract

As the PWM rectifier has the advantages of sinusoidal current, energy bidirectional flow and unit power factor, it plays a more and more important role in the new energy conversion field.. The traditional single inductor converter has the problem that the switch frequency, efficiency, volume, cost, etc., which are restricting the development, and the rectifier based on LCL filter can solve the above problem.

This paper starts with the disadvantages of L converter and introduces the LCL converter.. The in the AC side of the LCL filter, effectively restrain the harmonic, has significant inhibitory effect on high frequency harmonic current, still in the same harmonic requirements, reduce inductor volume, the volume is smaller, can be widely used in high power AC / DC converter. In addition, LCL type VSC converter can in DC side short circuit fault to fault current close to or below the rated value, the dynamic performance of the system is improved, which for high voltage direct current (HVDC) have significant, especially in high power transmission network.

The design optimization of the parameters of the filter is an important problem in this paper. The LCL filter is three order and the parameters are more complex.. The parameters of the inductor, the AC side slip capacitor and the AC side inductance of the network have the important influence on the better filtering performance and the current response characteristic.. In this paper, the mathematical model of LCL filter for PWM rectifier in the a-b-c coordinate system and d-q coordinate system is established.

Finally discuss the DC fault occurrence system, build a simulation experiment of PWM rectifier based on LCL filtering, and the simulation results are discussed.

KEY WORDS: LCL VSC, Parameter design, DC side short-circuit fault

目 录

摘 要 3

Abstract 4

目 录 5

第一章 绪论 6

1.1 PWM整流器的应用背景 6

1.2单电感L型电压源型变换器的局限 6

1.3 LCL型电压源型变换器的提出 8

1.4 LCL型电压源型变换器的发展概况 9

1.5 本文主要研究目标和内容 10

第二章 LCL数学建模及其控制系统设计 11

2.1数学建模 11

2.2控制系统设计 14

第三章 LCL滤波器的设计 18

3.1 LCL滤波器与L滤波器性能分析 18

3.2 LCL滤波器各参数对系统特性的定性分析 19

3.3 LCL滤波器参数设计 20

第四章 仿真与结果分析 22

4.1系统仿真 22

4.2直流侧短路故障仿真分析 24

第五章总结与展望 24

5.1总结 24

5.2工作展望 24

参考文献 24

致谢 24

第一章 绪论

PWM整流器的应用背景

电力电子技术正在逐渐成为现代生活中的重要部分，其对电能的转换控制作用意义非凡。随着科技的迅速发展创新，电力电子技术的应用到的行业范围越来越广，从生活中随手可及的家用电器到近年来直流输电领域，电力电子技术已经渗入到生活生产的各个领域。电力电子技术根据用电场合而对电能的进行控制转换，也就是所谓的变流，可以使电能的应用更好的满足人们的生活生产需要。

近十数年来,各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重,由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。由于谐波的注入系统网侧功率因数降低、电网电压发生畸变、网侧电流含大量谐波分量，从而大大降低供电质量，因此必须加以限制。

PWM整流器不但可以实现AC-DC由交流侧电网向直流侧负载传输能量的整流特性，而且可以降低谐波含量，具有实现电网交流侧电流正弦化的作用，能够对系统的功率因数可调节控制，有效地节约和利用了能源，近年来PWM整流器作为核心被广泛应用于各类电力电子系统中^[1]。

1.2单电感L型电压源型PWM整流器

基于单电感L滤波器的电压源型PWM整流器的拓扑结构如图1

图1 基于单电感L滤波器的电压源型PWM整流器的拓扑结构

在PWM整流器中，交流侧电感是关乎到其性能的一个重要因素。交流侧电感的设计取值十分关键，因为交流侧电感不仅影响到系统的滤波性能，而且整流器的功率因数与直流侧的输出电压等也受其影响。PWM整流器中，其交流侧电感主要有如下作用：

(1) 在PWM整流器电路中，作为储能器件使用。

(2)利用电感的电抗，高频谐波信号受到抑制，可以有效滤除PWM整流器中交流侧的谐波电流，使交流侧电流正弦化，起滤波作用^[2]。

然而，采用单电感L滤波的PWM整流器会产生开关频率及其倍数处的谐波，该谐波通过网侧电感注入电网后会降低电网电压，增加电路损耗，降低电网运行效率，影响系统的稳定运行。应用于大功率场合的整流器，其容量通常较大，为了减小损耗和保障系统的稳定运行，如果仍然使用单电感滤波，存在以下局限:

(1)为了有效滤除系统中的谐波系统需要较大的电感值，而为了获得较大的电感值需要体积较大的电感，这样不仅增加了系统的体积，同时也增加了成本。

(2)电感值的增大导致电感上的阻抗增加，系统在电感上的电压压降增大，增加了损耗的同时，给控制带来了一定影响。

1.3 LCL型电压源型变换器的提出

为了克服单电感L型电压源型PWM整流器的以上不足，M.Lindgren提出用一个三阶的LCL滤波器来代替原有的单电感L滤波器^[3]。LCL型电压源型PWM整流器的拓扑结构如图2所示。

图2 LCL电压源型PWM整流器的拓扑结构

LCL型电压源型变换器能够通过较小的电感值就可以实现较好的滤波效果，可以有效地滤除高次谐波，同时电路中存在冲击电流时LCL滤波器也能很好的抑制，不但使 PWM 整流器控制系统具有很好的动态性能，而且可以降低控制系统的成本和减小装置体积。相较于L型电压源型变换器，在电感值相同的情况下，LCL滤波器对高频谐波的抑制效果更加显著。

在低频时，可以把LCL滤波器视为总电感值为的一个等效电抗，忽略电容的作用。在高频时，由于LCL滤波器发出与谐波电流相位相反的电流，达到抵消谐波的作用，其对谐波的衰减能力更强，因此，在对谐波衰减要求相同的情况下，LCL滤波器等效电抗器的值要比L滤波器中的小，同时，由于LCL滤波器的阻抗较小，其造成的电网电压压降也较小。

LCL滤波器也存在一定的局限性，在其谐振频率处阻抗接近于零，谐波幅值很大，如果不采取抑制措施，会增加网侧电流中高次谐波的含量，增大了电流的畸变率，降低了网侧功率因数，降低系统的效率，因此在对LCL滤波的 PWM整流器控制中，可以考虑增加系统阻尼来抑制谐振。

1.4 LCL型电压源型变换器的发展概况

目前，主要在参数选择，控制策略等方面，来对LCL电压源型变换器的滤波器进行讨论分析。

1.4.1 滤波器参数设计

作为一个参数较多的三阶系统，LCL滤波器是否具有良好的滤波特性和系统稳定性，直接影响到网侧电感、支路电容和桥臂电感的参数在系统中的设计选择。

2001年，Marco Liserre提出了LCL滤波器参数的相关设计准则^[3][4]。在低频时，LCL滤波器可以当作总电感值为的一个等效电抗，忽略电容的作用，采用了LCL滤波器的低频数学模型，分析设计了其电压调节器参数和电流调节器参数，根据系统的具体情况，例如功率因数、功率损耗、谐振频率等方面的限制条件，从而对 LCL滤波器进行完整的的参数设计。

2002年，Marco Liserre，Frede Blaabjerg在之前的LCL滤波器参数的相关设计准则的基础上，为了能够对滤波器的参数进行进一步的优化，对电流内环闭环零极点的变化趋势进行了分析论证，发现主要由于无源阻尼控制和基于超前网络的有源阻尼控制时引起的LCL滤波器参数变化。

1.4.2 控制策略

迄今为止，在研究LCL滤波器的控制策略过程中，形成了两种主要的趋势。一种为了能够增强系统的稳定性，使用了人为增加系统的阻尼的控制策略，即在把适当的有源阻尼或者无源阻尼控制加入已有基础的单电感L滤波的矢量控制方式上。另外一种为了增强系统的稳定性、提高整流器的性能，也采用了加入了阻尼控制的方法，不同的是这样的控制策略只是专门应用于LCL滤波的PWM整流器的矢量控制。

2001年Marco Liserre，Frede Blaabjerg证明了在低频的数学模型下，，基于LCL滤波器的电容的作用可以忽略的思想，2002年，Marco Liserre，Frede Blaabjerg和Steffan Hansen提出了一种等效想法即将LCL滤波的PWM整流器的控制策略同单电感L滤波的PWM整流器的矢量控制策略进行等效。这种等效由于忽略了支路电容的作用，这样就可以用一个总电感值相等的等效电抗来等效网侧电感和桥臂侧电感，因而只要使用将网侧电压进行定向控制这一传统的方式就能够实现控制目标；然而这种控制策略最大的缺点是前提条件十分苛刻，要求系统运行于低频状态下，一旦高频谐波在系统中出现，会因为LCL滤波器在其谐振频率处阻抗接近零的关系，使得该处谐波幅值很大，而这将会对系统整体的稳定性造成影响，甚至会使得系统处于不稳定。因此根据矢量控制策略，产生了更为先进的阻尼控制策略。

阻尼控制策略中一种是无源阻尼法，该法可以将合适的电阻直接串联并联在支路电容、网侧电感、桥臂侧电感处，其目的是利用电阻的阻尼作用，来增强滤波器对谐波的衰减作用，从而使得系统的稳定性增强。虽然这种方法简单可靠，由于在结构和算法上不需要做过多的改变就能对滤波器的性能有很好地提高，因此能得到较为广泛的应用于生活生产中。然而这种方法由于在系统中增加了阻尼电阻使得其产生的损耗对系统的效率产生了影响，再加上一旦应用于高压大功率场合下阻尼电阻发热严重，为了保障系统稳定运行，需要强制风冷等额外措施，增加了系统的成本，所以基本不予采用。除此以外，在阻尼电阻产生了电压压降的情况下，为了能够保持相同大小的输出幅值，就需要更高的电压，对控制和系统可靠性是一个不必要的新的挑战。

1.5 本文主要研究目标和内容

本文对基于LCL滤波器的PWM整流器进行了初步分析和仿真研究。本文的主要工作如下:

(l)首先建立了LCL滤波器的三相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型，为了能够得到其控制系统的设计依据，对相应数学模型下得到的控制方程进行分析，为矢量控制策略提供了理论依据。

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