船舶岸电电源LCL滤波器阻尼参数选择方法与流程

本发明涉及一种岸电电源系统，更为具体地讲，涉及一种应用于船舶岸电电源lcl滤波器中的阻尼参数选择方法。

背景技术：

船舶岸电电源采用电力电子技术静止型逆变电源系统，将岸上不同于船舶用电频率的供电转换为船舶所需要的频率供电。船舶岸电电源主要以常见的交直交电压源型的变频器为核心，通过整流器把某一频率的交流电转换为直流电，再用逆变器把直流电转换成所需要频率的交流电，经过lcl滤波器后输出良好的交流电压波形，供船舶负载使用。船舶岸电电源系统示意图如图1。

船舶岸电电源分为功率变换电路和控制电路两大部分。功率变换电路主要实现能量转换，逆变器选用igbt为开关元件，将平稳直流逆变为pwm输出交流，该交流基波频率为船舶负载所需频率。控制电路主要根据对主电路输入和输出量的检测来实现对主电路的控制和各种保护。通过对输出三相电压和电流的检测，得到三相输出电压和电流值，然后与给定基准信号比较，通过控制器产生控制信号来控制逆变器中的开关管动作，使逆变器输出电压跟踪基准正弦波信号，从而得到期望的三相恒压恒频的交流电源。控制器采用双闭环控制，可使逆变器具有较好的输出电压波形、动态响应特性和稳态调压精度。

船舶岸电电源采用脉宽调制技术，导致大量开关频率高次谐波流入电网和船舶负载，这样会对电网和船舶负载中其他电磁敏感设备产生干扰，因此需要在整流输入侧和逆变输出侧加入滤波器。对于小容量变流器，单电感滤波即可实现滤波功能，而大容量系统电感量过大会使得系统的动态性能变差，滤波器上的损耗过大，无法满足要求，而lcl滤波器由于其在体积、成本上相较单电感滤波器具有优势，使得这种滤波方式在脉宽调制变流器中应用广泛。船舶岸电电源系统主电路拓扑示意图如图2。

然而，由于lcl滤波器是高阶滤波器，给系统引入了谐振点，容易导致稳定性问题。无论怎样设计lcl滤波器的谐振频率，船舶岸电电源的脉宽调制特性在谐振点附近都会导致谐波的放大，为减少这样的风险，添加阻尼是很有必要的。目前的阻尼控制方式有无源阻尼控制方式和有源阻尼控制方式两大类。有源阻尼通过控制器算法实现，不消耗有功功率，但容易受控制器非理想特性如死区、计算延时等影响；无源阻尼电阻越大对lcl谐振点的阻尼效果越好，但同时阻尼电阻上的损耗功率也会随之增大。因此，可以考虑有源阻尼和无源阻尼协同控制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：lcl滤波器是高阶滤波器，容易导致稳定性问题，单独使用有源阻尼或无源阻尼均存在一定的问题，无法满足工程需要。

本发明的技术方案为：船舶岸电电源lcl滤波器阻尼参数选择方法，采用如下步骤。

步骤1：根据工程实际，确定控制目标和电网阻抗变化范围。控制目标为在一定的电网阻抗变化范围内，输出电流波形接近正弦波，无明显的高频分量。

步骤2：首先加入无源阻尼电阻，根据损耗功率的限制，确定阻尼电阻阻值上限。取几组阻尼电阻阻值，综合考虑损耗功率、阻尼效果、滤波效果确定阻尼电阻阻值。

步骤3：加入有源阻尼算法。综合考虑阻尼效果、滤波效果确定电容电流反馈系数，看输出电流波形是否满足控制目标，若无法满足，需返回步骤2。

步骤4：根据工程实际，选取几组常见的电网阻抗参数，分别考核lcl滤波器性能，若无法达到控制目标，需返回步骤2，重新调整阻尼参数，直至满足要求。

本发明具有如下优点：有源阻尼通过控制器算法实现，不消耗有功功率，但容易受控制器非理想特性如死区、计算延时等影响；无源阻尼电阻越大对lcl谐振点的阻尼效果越好，但同时阻尼电阻上的损耗功率也会随之增大。本发明在无源阻尼电阻的基础上，加入有源阻尼控制，既满足损耗功率的限制，又达到控制目标。

附图说明

图1为船舶岸电电源系统示意图。

图2为船舶岸电电源系统主电路拓扑示意图。

图3为本发明方法流程图。

图4为没有任何阻尼时lcl滤波器波特图。

图5为无源阻尼电阻阻值分别为0.2ω、0.4ω时lcl滤波器波特图。其中，虚线为0.2ω时lcl滤波器波特图，实线为0.4ω时lcl滤波器波特图。

图6为仅加入0.4ω无源阻尼电阻时船舶岸电电源系统输出电流波形图。

图7为同时加入0.4ω无源阻尼电阻和有源阻尼控制算法时岸电电源系统输出电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作详细说明，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

附图的符号及标号说明：udc-直流支撑电容电压；gs1～gs6-整流电路功率开关管；gl1～gl6-逆变电路功率开关管；ls1-整流电路lcl滤波器电网侧电感；ls2-整流电路lcl滤波器整流电路侧电感；cs-整流电路lcl滤波器滤波电容；rs-整流电路lcl滤波器阻尼电阻；ll1-逆变电路lcl滤波器逆变电路侧电感；ll2-逆变电路lcl滤波器船舶侧电感；cl-逆变电路lcl滤波器滤波电容；rl-逆变电路lcl滤波器阻尼电阻。

本发明是在现有lcl滤波器参数基础上进行阻尼参数的选择，整流电路lcl参数和逆变电路lcl参数相同，方法流程图如图3所示，以整流电路lcl滤波器为例，具体实施方式如下：

步骤1：控制目标为在一定的电网阻抗变化范围内，输出电流波形接近正弦波，无明显的高频分量。lcl参数如下：

ls1＝0.005mh，ls2＝0.275mh，cs＝20uf

没有任何阻尼情况下，lcl滤波器传递函数如下：

对应波特图如图4。如图4所示，没有阻尼时，在5.47khz时有严重的谐波放大，船舶岸电电源无法正常运行。

步骤2：有源阻尼通过控制器算法实现，不消耗有功功率，但容易受控制器非理想特性如死区、计算延时等影响，无源阻尼电阻越大对lcl谐振点的阻尼效果越好，但同时阻尼电阻上的损耗功率也会随之增大。

因此，首先加入无源阻尼电阻，含无源阻尼电阻的lcl滤波器传递函数如下：

考虑到损耗功率的限制，在本实施例中阻尼电阻阻值上限为0.5ω。取阻尼电阻阻值为0.2ω、0.4ω，波特图如图5，其中，虚线为0.2ω波特图，实线为0.4ω波特图。如图5所示，阻尼电阻阻值越大，谐波放大越不明显，但是对于高频的抑制效果会稍微变差。综合考虑损耗功率、阻尼效果、滤波效果，暂定阻尼电阻阻值为0.4ω。

步骤3：仅加入无源阻尼电阻时输出电流波形如图6，还存在非常大的高频谐波，但受限于电阻损耗功率，不宜单纯增大无源阻尼电阻阻值，此时应加入有源阻尼算法。本实施例采用滤波电容电流反馈的有源阻尼算法，该算法已有大量文献说明，此处不再赘述。电容电流反馈系数为0.8时，输出电流波形如图7，波形已接近正弦波，无明显的高频谐波。

步骤4：步骤3仅仅在某一个电网阻抗参数的条件下达到控制目标，实际系统变压器容量、短路阻抗大小各异，电网阻抗也随之变化，可根据经验选取几组常见的电网阻抗参数，分别考核lcl滤波器性能，若出现问题，需重新调整阻尼参数，直至满足要求。