Matlab在LC与LCL两种滤波器对比实验中的应用

Matlab在LC与LCL两种滤波器对比实验中的应用
郑嘉龙;冯黎兵;杨鸽;刘一均;杨珏
【摘要】采用高频信号控制的并网逆变器会输出大量谐波,需要对其进行有效滤波后才能接人电网.由于LC型和LCL型滤波器在实际并网逆变器中均被广泛使用,因此有必要对其进行深入研究.然而电力滤波器直接参与电能传输,会使学生在实验过程中存在较大安全风险.同时,复杂的理论推导增加了高职学生的理解和掌握难度.采用MATLAB进行仿真实验不仅能降低学生在实验过程中的安全风险,而且其强大的绘图功能有助于学生发挥形象思维的能力.通过对仿真实验结果的分析,学生可以更好地理解两种滤波器的工作原理,准确把握适用场景.
【期刊名称】《实验室科学》
【年(卷),期】2019(022)004
【总页数】4页(P31-34)
【关键词】并网逆变器;仿真实验;LC滤波器;LCL滤波器;高职教育
【作者】郑嘉龙;冯黎兵;杨鸽;刘一均;杨珏
【作者单位】四川水利职业技术学院电力工程系,四川成都611231;四川水利职业技术学院电力工程系,四川成都611231;四川水利职业技术学院电力工程系,四川成都611231;四川水利职业技术学院电力工程系,四川成都611231;四川水利职业技术学院电力工程系,四川成都611231
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
以风力发电和光伏发电的新能源发电系统都需要并网逆变器将频率转换成工频，而并网逆变器采用脉宽调制(PWM)的控制方法带来了大量的谐波。

一般需要滤波器滤波才能进行可靠并网。

由于L型滤波器在滤波效果方面不如LC型和LCL型滤波器而较少被使用［1］。

熟练掌握LC型和LCL型滤波器的工作原理和运行特点对于新能源相关专业的学生尤为重要。

通过对学生学习心理的研究，将其分为消闲心理、求知心理和研究心理三类［2］。

作为高职院校开设的课程，应该结合高职院校学生的学习心理特点开展教学模式改革。

虚拟仿真实验就能很好地适应这种教学模式［3］。

对基于MATLAB仿真实验在教学改革中的应用做了很多有益的探索与研究［4－6］。

由于实际电网的等效电感再所难免，使用相关硬件进行LC型滤波器实验，其结果必然表现出一定的LCL型滤波器特性。

采用MATLAB仿真模型可以得到LC型滤波器的理想运行环境，更准确地反映其运行特点。

本文基于MATLAB仿真软件对比分析LC型滤波器和LCL型滤波器的滤波器原理和滤波效果。

1 并网逆变器介绍
1.1 电路拓扑结构
单并网逆变器可分为三相并网逆变器和单相并网逆变器两类，本文以单相并网逆变器为例分析滤波器在新能源并网中的作用，给出带滤波器的单相并网逆变器拓扑图如图1所示。

其中Cdc为直流侧电容器;S1～S4为电力电子器件可控开关;Vg为等效电网电压;L1，L2和C1组成LCL滤波器;L3，C2组成LC滤波器;i2为并网电流;iref为参考电流;Uic为输出正弦调制波;Um为三角载波;d为功率管的占空比输出;Gi(s)为电流调节器的传递函数。

图1 带滤波器的并网逆变器拓扑图
1.2 滤波器数学模型分析
LC型滤波器的传递函数GLC(s):
其谐振频率表达式如下
LCL滤波器的传递函数:
其谐振频率表达式如下
本次实验是对比两种滤波器的滤波效果，因此省去了相关参数的设计过程，直接使用相关文献提供的单相LCL型全桥并网逆变器的参数［7］。

而LC滤波器的参数确定方法如下:电感大小遵循与LCL滤波器的总电感量相等，滤波器电容大小也保持一致的原则，得到滤波器参数如表1所示。

表1 LC和LCL滤波器参数参数 LC滤波器 LCL滤波器电感L3=750μH
L1=600μH L2=150μH电容C2=10μF C1=10μF输入电压 VDC=360V电网电压Vg=220V输出功率 Po=6kW基波频率 fo=50Hz开关频率 fSW=10kHz
根据LC滤波器和LCL滤波器的传递函数及其相关参数，可以采用MATLAB的Bode()函数绘制它们的Bode图如图2所示。

从图中可以看出两种滤波器都存在固有谐振，在谐振频率处都要发生相位翻转。

LCL滤波器对高频谐波的衰减能力比LC滤波器强。

通过对低频谐波部分的局部放大，发现LC滤波器对该部分谐波的抑制能力稍微比LCL滤波器强一些。

从谐振频率的角度分析，LC型滤波器的谐振频率更接近工作频率。

图2 LC和LCL滤波器Bode图
2 基于Matlab的仿真实验
2.1 实验任务与要求
(1)实验任务。

搭建仿真平台，对比LC滤波器和LCL滤波器对并网逆变器滤波效果。

(2)实验要求。

遵循单一变量原则，要求两种滤波器的实验环境一致，包括并网逆变器类型、控制方法和所有相关参数设置。

2.2 搭建仿真平台
参考相关文献［8］提供的建模方法，可以采用Matlab\\Simulink搭建并网逆变器的仿真模型如图3、图4、图5所示。

在带LC滤波器并网逆变器仿真模型搭建过程中无法直接将Vg直接和滤波电容并联，因此串联了一个小电阻R作为该支路的等效电阻。

这也符合实际电网的情况，同时该电阻还可以阻尼LC滤波器的固有谐振。

为了使实验条件一致，在LCL滤波器并网逆变器仿真模型的L2支路上也串联一个等值的小电阻。

图3 带LC滤波器并网逆变器仿真模型
图4 带LCL滤波器并网逆变器仿真模型
为了获得正弦度高的并网电流，一般采用正弦脉宽调制(SPWM)信号作为全控型电力电子开关的驱动信号。

SPWM控制系统的调节器采用PI控制策略，其传递函数如下
通过在Simulink仿真平台上使用了PID模块，设置比例系数Kp为0.45和积分系数Ki为2200，微分系数设置为0便可实现PI控制。

图5 SPWM控制信号模型
2.3 滤波效果对比
使用表1和上述PI控制器参数分别对基于LC和LCL两种滤波器的并网逆变器进行仿真，得到并网电流的波形。

使用Matlab的FFT分析工具可以分别得到它们的频谱图。

如图6、图7所示。

图6 经LC滤波器并网电流波形图和频谱图
图7 经LCL滤波器并网电流波形图和频谱图
经过滤波后的并网电流的各次谐波及其总谐波畸变率(total harmonics distortion，THD)均能满足IEEE Std.929－2000 和 IEEE Std.1547－2003 等并网标准［9－10］中的谐波限制设计要求。

在总电感量和滤波电容量相等的情况下，LCL滤波
器的滤波效果确实比LC滤波器稍好一些。

从频谱图中可以看出经LCL滤波器滤波的并网电流含有的高频谐波比经LC滤波器滤波的并网电流要少一些，而低频谐波分布要稍微多一些。

这符合Bode图的预期结果。

2.4 实验结论
同等条件下LCL滤波器的滤波效果比LC滤波器要好一些。

同时将等量电感拆分成两个小电感有利于减小体积。

3 结语
随着我国产业转型升级的加速，高技能人才缺口日益显现。

作为高技能人才培养的主阵地，高职院校的生源质量却出现了下降的现象。

如何在客观条件无法得到进一步改善的情况适应这种变化，需要不断调整教学方法。

面对抽象思维相对薄弱的学生，更应该在教学过程中增加形象思维环节。

采用滤波器传递函数的Bode图去判断滤波器性能比理论推导更方便高职院校学生的学习和掌握。

方便实用的仿真实验还可以提高学生的学习兴趣和教学过程的参与度。

因此不断挖掘类似Matlab这样能较好开展仿真实验的应用软件在教学改革中就有一定的现实意义。

参考文献(References):
【相关文献】
［1］许德志，汪飞，阮毅.LCL、LLCL和LLCCL滤波器无源阻尼分析［J］.中国电机工程学报，2015，35(18):4725－4735.
［2］郑嘉龙.基于学习心理的电子技术课程改革探讨［J］.新校园(上旬)，2016(1):48.
［3］贺占魁，黄涛.虚拟仿真实验教学项目建设探索［J］.实验技术与管理，2018，35(2):108－116.
［4］云中华，李勇峰.基于Simulink的变流技术仿真实验研究［J］.实验室研究与探索，2018，37(1):85－88.
［5］王茜，陈国达，李孝禄.基于Matlab的过程控制系统仿真实验设计［J］.实验技术与管理，2017，34(2):119－123.
［6］雷建和，胡廷轩，宫汝林，等.基于Matlab的数字实验软件的开发［J］.实验科学与技术，2017，15(4):18－20.
［7］阮新波，王学华，潘冬华，等.LCL型并网逆变器的控制技术［M］.北京:科学出版社，2015:43.
［8］林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真［M］.北京:中国电力出版社，2009:129－146.
［9］ IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic(PV)Systems ［s］.IEEE Standard 929－2000.
［10］ IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with E-lectric Power Systems［s］.IEEE Standard 1547－2003.。