阅读说明：本技术 基于阻尼比的lcl滤波器参数设计方法、设备及介质 (LCL filter parameter design method, equipment and medium based on damping ratio ) 是由 马柯 唐为禹 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于阻尼比的LCL滤波器参数设计方法、设备及介质,首先根据传统LCL滤波器设计方法,选取变流器侧电感及滤波电容参数；然后利用阻尼比,对阻尼电阻和输出侧电感的取值进行优化设计；此外,还提供了针对总电感量和谐振频率的迭代优化方案。本发明优选采用最优阻尼比0.28,该阻尼比能够以最小的阻尼损耗保障带LCL滤波器的变流器系统稳定运行。本发明设计迭代少,能够保障LCL滤波器的高频衰减设计准确,避免阻尼设计不合理所引入的稳定性风险,进而确保电流控制参数的选取简单直接,适用于LCL滤波器的输出侧电压高频分量较低的场合。(The invention provides a damping ratio-based LCL filter parameter design method, equipment and a medium, wherein firstly, according to the traditional LCL filter design method, the parameters of a side inductor and a filter capacitor of a converter are selected; then, optimally designing values of the damping resistor and the output side inductor by using the damping ratio; in addition, an iterative optimization scheme for the total inductance and the resonant frequency is provided. The invention preferably adopts an optimal damping ratio of 0.28, which can ensure the stable operation of the converter system with the LCL filter with the minimum damping loss. The method has less design iteration, can ensure the accuracy of the high-frequency attenuation design of the LCL filter, avoids the stability risk caused by unreasonable damping design, further ensures the simple and direct selection of the current control parameter, and is suitable for occasions with lower high-frequency components of the voltage at the output side of the LCL filter.)

基于阻尼比的LCL滤波器参数设计方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及变流器的滤波器设计领域，尤其涉及一种基于阻尼比的LCL滤波器参数设计方法。

背景技术

相比于传统的电感滤波器，LCL滤波器对高频电流谐波具有更好的衰减性能。近年来，为了满足越来越严苛的并网准则，越来越多的并网变流器开始采用LCL滤波器，以滤除并网电流中的开关次谐波。然而，LCL滤波器的幅频特性曲线上存在一个固有的谐振峰，该谐振峰容易导致变流器系统失稳，为电流控制器的设计带来了挑战。为了保证控制的稳定性，带LCL滤波器的变流器系统一般会采用有源阻尼或者无源阻尼的方法来抑制谐振峰。

有源阻尼的主要优点是不会引入阻尼损耗，也不会降低LCL滤波器的高频衰减性能。但是，有源阻尼通常需要使用额外的传感器，这意味着额外的经济成本和更为复杂的控制环路。相对于有源阻尼，无源阻尼是一种更为简单和常用的方法。一般而言，阻尼电阻可以串联在LCL滤波器的电容上，从而抑制谐振。这种方法的代价是阻尼损耗增加，高频衰减性能变差。为了克服这些缺点，一些新的无源阻尼方法使用了额外的电容或电感，从而分别旁路掉电容支路上的高频电流和基频电流，例如RC阻尼支路，RLC阻尼支路等等。但是，这些新的阻尼方案会引入高阶传递函数和多变的特征频率，增加了滤波器参数设计的复杂度。因此，在实际应用中，将一个简单的阻尼电阻与滤波电容串联，仍然是一种常用的无源阻尼方法。

如何对阻尼电阻的取值进行设计，是一个有难度的问题，因为阻尼电阻的取值与多个参数相关。在采用传统设计方法时，为了简化设计，阻尼电阻的取值一般是设为与谐振频率下电容阻抗相近的数量级，并且1/3是一个常用的经验值。然而，基于经验值的阻尼设计是不够精确的：若电阻取值过小，滤波器的谐振抑制不充分，就会对变流器的控制稳定性造成不良影响；若电阻取值过大，这将导致高频电流衰减性能的过度退化以及电能转换效率的降低。因此，传统设计方法需要通过不断迭代来调整阻尼取值。在文献《Analysis ofthe Passive Damping Losses in LCL-Filter-Based Grid Converters》中，R.-Alzola等人提出了一种解析的无源阻尼设计方法，从而保证控制稳定性。这种方法仅适用于LCL滤波器的变流器侧电流作为受控对象的情况，且仅当输出侧电感远大于变流器侧电感时阻尼设计才准确。然而，在实际应用中，LCL滤波器的输出侧电流作为受控对象是较为常见的情况，而且输出侧电感一般是小于变流器侧电感的。因此，该方法的适用性较差。

此外，在采用传统设计方法时，LCL滤波器的阻尼电阻通常是在电感、电容取值均确定后才进行的。考虑到阻尼电阻会部分阻断流经电容支路的高频电流，LCL滤波器的高频衰减不可避免会与设计初始值有所差异。因此，传统的设计方法需要通过额外的迭代来调整衰减表现。

综上所述，现有的无源阻尼电阻设计方法主要存在两点缺陷：

1)无源阻尼取值的设计不精确，可能因为阻尼取值不合理而导致变流器失稳或阻尼损耗过大；

2)无源阻尼和高频电流衰减需要多次迭代调整，设计效率低，设计精度差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于阻尼比的LCL滤波器参数设计方法、设备及介质。

根据本发明的第一方面，提供一种LCL滤波器参数设计方法，包括：

根据变流器侧的电流纹波设计指标，计算变流器侧电感L_f的取值；

根据滤波电容的无功容量占比，计算滤波电容C_f的取值；

根据无源阻尼比及高频电流衰减设计指标，结合所述变流器侧电感L_f的取值和所述滤波电容C_f的取值，计算输出侧电感L_g的取值，公式如下：

L_f：LCL滤波器的变流器侧电感；

L_g：LCL滤波器的输出侧电感；

C_f：LCL滤波器的滤波电容；

ζ：LCL滤波器的无源阻尼比；

Attenuation：LCL滤波器的高频电流衰减；

ω_sw：功率半导体器件的开关角频率；

ω_res，f_res：LCL滤波器的谐振角频率及谐振频率；

abs(…)：取绝对值运算；

j：虚数单位。

进一步的，所述方法还包括：根据无源阻尼比，计算无源阻尼电阻R_d的取值。

可选地，所述无源阻尼电阻R_d的取值，计算公式如下：

可选地，所述计算滤波电容C_f的取值，公式如下：

V₁：输出侧电压的有效值；

I₁：输出侧电流的有效值；

λ：电容吸收的无功容量占比；

f₁：输出侧电压的基波频率；

C_base：基准电容。

可选地，所述无源阻尼比取值为0.20～0.35，进一步的，所述无源阻尼比最优取值为0.28，能确保LCL滤波器幅频特性曲线上的谐振峰被恰好抑制。

可选地，所述方法还包括：针对LCL滤波器的总电感量进行可选的迭代优化；所述LCL滤波器的总电感量即变流器侧电感L_f及输出侧电感L_g之和，应当小于总电感量上限L_T.Limit。

所述优化迭代在以下任一场合时进行：

-对滤波器体积、重量或成本敏感的应用场合；

-电压调制比大于0.85的应用场合；

所述优化迭代的具体操作为：当LCL滤波器的总电感量大于总电感量上限L_T.Limit时，增大电容吸收的无功容量占比λ，并重新设计滤波电容C_f和输出侧电感L_g，或者，重新设计滤波电容C_f、输出侧电感L_g以及无源阻尼电阻R_d。

进一步的，所述总电感量上限L_T.Limit取基准电感的10％，公式如下：

L_base：基准电感；

f₁：输出侧电压的基波频率；

V₁：输出侧电压的有效值；

I₁：输出侧电流的有效值。

可选地，所述方法还包括：针对LCL滤波器的谐振频率f_res进行迭代优化；

LCL滤波器的谐振频率应当大于10倍基波频率，并小于1/2开关频率，公式如下：

10f₁＜f_res＜0.5f_sw

f₁：输出侧电压的基波频率；

f_sw：功率半导体器件的开关频率；

若LCL滤波器的谐振频率小于10倍基波频率，减小电容吸收的无功容量占比λ，或增大LCL滤波器高频衰减值Attenuation，或增大变流器侧电流纹波的最大峰峰值△i_f.max；

若LCL滤波器的谐振频率大于1/2开关频率，增大电容吸收的无功容量占比λ，或减小LCL滤波器高频衰减值Attenuation，或减小变流器侧电流纹波的最大峰峰值△i_f.max。

根据本发明的第二方面，还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行上述的LCL滤波器参数设计方法。

根据本发明的第三方面，还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时可用于上述的LCL滤波器参数设计方法。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下至少一种有益效果：

本发明上述的方法，基于阻尼比改进了输出侧电感的设计公式，确保LCL滤波器的高频电流衰减设计准确，避免了调整衰减表现的设计迭代，实现了输出侧电感精确设计。

本发明上述的方法，基于阻尼比改进了阻尼电阻的设计公式，避免了调整阻尼取值的设计迭代，实现了对阻尼电阻的精确设计，能够以最小的阻尼损耗，保障带LCL滤波器的变流器系统稳定运行。

本发明上述的方法，阻尼比取值可以在0.20～0.35范围内，该阻尼比能够确保LCL滤波器幅频特性曲线上的谐振峰被恰好抑制，从而使电流控制参数的选取简单直接；进一步的，通用的最优阻尼比为0.28，该阻尼比能够以最小的阻尼损耗，保障带LCL滤波器的变流器系统稳定运行。

本发明上述的方法，设计准则明确，设计迭代少，设计效率和精度高，确保电流控制参数的选取简单直接。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例中基于阻尼比的LCL滤波器参数设计流程图；

图2是本发明一实施例应用在并网工况下的逆变器拓扑图；

图3是本发明一实施例中的LCL滤波器传递函数伯德图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是本发明一优选实施例中基于阻尼比的LCL滤波器参数设计流程图，该方法适用于LCL滤波器的输出侧电压高频分量较低的场合，例如逆变器并网工况。本实施例中的基于阻尼比的LCL滤波器参数设计方法首先根据传统LCL滤波器设计方法，选取变流器侧电感及滤波电容参数；然后利用阻尼比，对阻尼电阻和输出侧电感的取值进行优化设计；具体的，参照图1所示，可以包括如下步骤：

S1，根据变流器侧的电流纹波设计指标，计算变流器侧电感L_f的取值；

S2，根据滤波电容的无功容量占比，计算滤波电容C_f的取值；

S3，根据无源阻尼比及高频电流衰减设计指标，结合所述变流器侧电感L_f的取值和所述滤波电容C_f的取值，计算输出侧电感L_g的取值；

S4，根据无源阻尼比，结合前面得到的参数，计算无源阻尼电阻R_d的取值。

关于上述S1，以采用SPWM调制的三相三线制系统为例，变流器侧电感的计算公式如下：

关于上述S2，滤波电容的计算公式如下：

关于上述S3，输出侧电感的计算公式如下：

该公式考虑了无源阻尼电阻的影响，能够保证高频电流衰减的设计准确，避免不必要的设计迭代。其中，

在上述优选实施例中，LCL滤波器的阻尼比可以为0.20～0.35，其中最优阻尼比为0.28，能够确保LCL滤波器幅频特性曲线上的谐振峰被恰好抑制，从而以最小的阻尼损耗，保障带LCL滤波器的变流器系统稳定运行。

关于上述S4，LCL滤波器的无源阻尼电阻的设计是基于以下公式：

该设计公式能够确保LCL滤波器具有特定的阻尼比。

上述实施例中，所用各变量的含义如下：

L_f：LCL滤波器的变流器侧电感；

L_g：LCL滤波器的输出侧电感；

C_f：LCL滤波器的滤波电容；

R_d：LCL滤波器的无源阻尼电阻；

ζ：LCL滤波器的无源阻尼比；

Attenuation：LCL滤波器的高频电流衰减；

ω_sw，f_sw：功率半导体器件的开关角频率及开关频率；

ω_res，f_res：LCL滤波器的谐振角频率及谐振频率；

f₁：输出侧电压的基波频率；

V₁：输出侧电压的有效值；

I₁：输出侧电流的有效值；

V_dc：直流母线电压；

△i_f.max：变流器侧电流纹波的最大峰峰值；

λ：电容吸收的无功容量占比；

C_base，L_base：基准电容及电感；

abs(…)：取绝对值运算；

max{…}：取最大值运算。

本发明上述实施例实现了对输出侧电感的精确设计，能够保障LCL滤波器的高频衰减与设计指标高度一致，避免了调整衰减表现的设计迭代；进一步的，上述方法还实现了对阻尼电阻的精确设计，能够以最小的阻尼损耗，保障带LCL滤波器的变流器系统稳定运行，避免了调整阻尼取值的设计迭代。

在上述实施例的基础上，本发明其他的较优实施例中，还包括针对总电感量和谐振频率的可选优化方案，迭代少，能够保障LCL滤波器的高频衰减设计准确，避免阻尼设计不合理所引入的稳定性风险，进而确保电流控制参数的选取简单直接。

具体的，在一较优实施例中，针对LCL滤波器的总电感量进行迭代优化，其中，LCL滤波器的总电感量即变流器侧电感及输出侧电感之和，应当小于总电感量上限L_T.Limit，公式如下：

L_f+L_g＜L_T.Limit

一般而言，总电感量上限可取基准电感的10％，公式如下：

该优化迭代适用于：1)对滤波器体积、重量或成本敏感的应用场合，2)电压调制比大于0.85的应用场合；其他场合下，可不使用该优化迭代。

该优化迭代的具体操作为：当LCL滤波器的总电感量大于总电感量上限L_T.Limit时，增大电容吸收的无功容量占比λ，并重新设计滤波电容C_f、输出侧电感L_g以及无源阻尼电阻R_d。

在另一较优实施例中，针对LCL滤波器的谐振频率进行迭代优化，LCL滤波器的谐振频率应当大于10倍基波频率，并小于1/2开关频率，公式如下：

10f₁＜f_res＜0.5f_sw。

若LCL滤波器的谐振频率小于10倍基波频率，减小电容吸收的无功容量占比λ，或增大LCL滤波器高频衰减值Attenuation，或增大变流器侧电流纹波的最大峰峰值△i_f.max。

若LCL滤波器的谐振频率大于1/2开关频率，增大电容吸收的无功容量占比λ，或减小LCL滤波器高频衰减值Attenuation，或减小变流器侧电流纹波的最大峰峰值△i_f.max。

为了更好对本发明上述技术方案的理解，以下结合具体应用实例进行说明，应当理解的是，以下应用实例并不用于限制本发明。

图2是本发明一实施例应用在并网工况下的逆变器拓扑图，参照图2所示的拓扑中，一台三相两电平电压源型逆变器通过LCL滤波器接入理想电网。需要声明的是，本发明的设计方法可适用于输出侧电压高频分量较低的场合，而并网工况是一种最常见的应用场合。

本实施例的电气参数设置如下：

三相三线制系统，SPWM调制方式，直流母线电压V_dc＝400V，输出侧电压有效值V₁＝110V，输出侧电压基波频率f₁＝50Hz，输出侧电流有效值I₁＝20A，IGBT开关频率f_sw＝20kHz。

本实施例的LCL滤波器设计指标如下：

变流器侧电流纹波的最大值为20％输出电流幅值；电容无功容量占比为额定功率的5％；高频电流纹波衰减为1/25；阻尼比采用最优值ζ＝0.28。

参见图1中的基于阻尼比的LCL滤波器参数设计流程，本实施例可以包括如下实施步骤：

步骤1，根据变流器侧的电流纹波设计指标，计算变流器侧电感的取值；

本实施例中，变流器侧电流纹波最大值△i_f.max为：

考虑到系统为三相三线制，且采用SPWM调制，则变流器侧电感可由下式计算，结果为：L_f＝0.42mH。

步骤2，根据滤波电容的无功容量占比，计算滤波电容的取值；

本实施例中，电容无功容量占比为额定功率的5％，即λ＝5％；则电容可由下式计算，结果为：C_f＝29uF。

步骤3，在变流器侧电感及滤波电容的取值已确定的前提下，根据最优阻尼比ζ＝0.28及高频衰减设计指标，输出侧电感可由下式计算，结果为：L₁＝0.27mH。

其中，

验证LCL滤波器的变流器电感及输出侧电感之和，是否超过总电感量限制；在本实施例中，总电感量的上限选为基准电感量L_base的10％，即：

则实施例中的总电感量满足要求，如下式：

L_f+L_g＝0.42mH+0.27mH＜1.75mH＝L_T.Limit

验证LCL滤波器的谐振频率是否在合理范围内；本实施例中，LCL滤波器的谐振频率f_res＝2319Hz，满足以下不等式：

10f₁＜f_res＜0.5f_sw→500Hz＜2319Hz＜10000Hz

步骤4，根据已确定的电感、电容取值及最优阻尼比ζ＝0.28，无源阻尼电阻可由下式计算，结果为：R_d＝1.33Ω。

至此，本实施例的LCL滤波器参数设计已完成，设计过程中未引入迭代，设计准则清晰，设计效率高。在本实施例中，LCL滤波器的设计结果为：L_f＝0.42mH，C_f＝29uF，L_g＝0.27mH，R_d＝1.33Ω。

当然，在上述实施例中，由于总电感量和谐振频率均在限制范围之内，所以并不需要迭代调整。在其他实施例中，如果总电感量或者谐振频率超出限制范围，则需要迭代。相比于传统的LCL设计，本发明的迭代次数较少，最好的情况就是不用迭代。

图3是本发明一实施例的LCL滤波器传递函数的伯德图；LCL滤波器的传递函数，从变流器侧电压v_s到输出侧电流i_g，如下：

参照图3，最优阻尼对应的LCL滤波器参数即为上述设计结果；欠缺阻尼对应的是将上述结果中的阻尼电阻减半，即R_d＝0.67Ω，其余参数不变；过度阻尼对应的是将上述结果中的阻尼电阻翻倍，即R_d＝2.66Ω，其余参数不变。对比可知，采用ζ＝0.28能够保障LCL滤波器幅频特性曲线上的谐振峰被恰好抑制，从而以最小的阻尼损耗保障变流器系统稳定运行。

以上是以采用SPWM调制的三相三线制系统为例来进行说明的，对于其他的系统，除了针对变流器侧电感的公式，其余公式具有普适性。对于其他系统而言，变流器侧电感的计算公式需要适应性变化，就同样适用。比如，

在采用SPWM调制的三相四线制系统中时，计算变流器侧电感L_f的计算公式如下：

f_sw：功率半导体器件的开关频率；

V_dc：直流母线电压；

△i_f.max：变流器侧电流纹波的最大峰峰值；

再如，在采用SVPWM调制的三相三线制系统中，计算变流器侧电感L_f的计算公式如下：

在本发明另一实施例中，还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行上述任一项实施例的LCL滤波器参数设计方法。

在本发明另一实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时可用于执行上述任一项实施例的LCL滤波器参数设计方法。

综上，本发明实施例根据传统LCL滤波器设计方法，选取变流器侧电感及滤波电容参数；然后利用阻尼比，对阻尼电阻和输出侧电感的取值进行优化设计；此外，还提供了针对总电感量和谐振频率的迭代优化方案。本发明上述实施例中最优阻尼比取值为0.28，该阻尼比能够以最小的阻尼损耗保障带LCL滤波器的变流器系统稳定运行。本发明实施例中设计迭代少，能够保障LCL滤波器的高频衰减设计准确，避免阻尼设计不合理所引入的稳定性风险，进而确保电流控制参数的选取简单直接，适用于LCL滤波器的输出侧电压高频分量较低的场合。

需要注意的是，以上所述仅为本发明的一种实施例，并不用以限制本发明。本领域的技术人员可以对本发明所提出的设计方法进行修改、替换而不脱离本发明的精神和原则。倘若所作改动属于本发明的权利要求范围，未脱离本发明的精神和原则，均应包含在本发明的保护范围之内。