整流逆变功率柜LCL滤波器优化结构设计

肖潇

在大型设备当中,涉及多种元器件，必不可少的需要滤波器来过滤特定高次谐波，防止其通过传导、电磁辐射和感应耦合三种方式对电网及邻近电力设备产生谐波污染。LCL滤波器属于三阶系统，其自身存在谐振峰值现象，从而影响电网质量。LCL滤波器一般被设计为一体，集成一个模块放进电柜内，在一个相对密闭的空间内，电抗产生的热量需及时被转移，而长时间的使用，随着煤尘的堆积或是电抗的温升异常，都会造成局部温度过高的现象，加速电容出现鼓包、漏液现象，由于集成设计，使得设备维护人员无法及时发现问题，在出现问题时带来的检修工作量也被大幅提升。

本文研究的滤波器结构，主要基于电容分列方式对LCL滤波器进行优化，提高其滤波性能，解决其自身谐振问题，进而使设备稳定性得到提高，同时新增电容柜，进行可视化改造，提高其可维护性及其使用寿命。

1  旧有变频器LCL滤波器系统结构

在变频器整流逆变这一过程中，相当于一个高速开关，会产生大量的谐波，这些谐波对电网造成干扰，同时也会使变频器产生过压、过流、欠压、过载、过热等故障假象，进而导致变频器的一系列误动作出现。因此变频器输入端必须加装专用滤波器。而LCL滤波器使变频专用滤波器的一种，是一个三阶滤波系统，由网侧电感L1，滤波电容C，整流侧电感L2组成，可以在低开关频率和总电感较小的条件下滤除变频器网侧高次谐波，可以将高质量电能稳定地回馈给电网。

LCL 滤波器，是滤波器的一种结构形式，头部是一组电感串联，中间部分是并联的交流电容，尾部又串联了一组电感。LCL 滤波器是 IGBT 供电单元的一个关键部件，用于隔离高频开关频率进入电网，其较高的交流电感能平滑由于整流器的高频开关而造成的线电压波形畸变。滤波器的容性元件能有效地滤除高频( 大于 1 kHz) 谐波，LCL 滤波器位于变频器的输入侧，L1、L2为电抗器，C为并联在两电抗之间的滤波电容，其在电路中的位置参见下图连接。

旧有的LCL 滤波器的电容由三组电容三角形联接组成，输出 3 相端子，分别接于两组电抗器串联的三相电源端。滤波器电容是一个随着环境温度和湿度会逐渐老化的组件，在潮湿高温的环境中老化更快，而根据其现有的设计，如下图，电容位于集成模块的背部，电柜的最内部。在一个相对密闭的空间内，电抗产生的热量需及时被转移，电容器的使用寿命跟温度有很大的关系，温度越高其寿命越短，而长时间的使用，随着煤尘的堆积或是电抗的温升异常，都会造成局部温度过高的现象，加速电容出现鼓包、漏液现象，其次由于集成设计，使得设备维护人员无法及时发现问题，在出现问题时带来的检修工作量也被大幅提升。

其次，在集成模块上，若滤波电容损坏，将导致该滤波器无法继续使用，设备将在电容损坏时产生大量的谐波干扰电网，导致设备无法继续使用。这对于使用来说无疑会产生较大的影响，没有足够的应急时间来临时处理设备状态位置等。

2   基于电容分列的滤波器优化主要分为三个功能来优化设计：

（1）电容拓扑结构的优化：

首先我们对LCL滤波器的结构进行调整，将电容从原有模块分离出来，改善其工作环境，随后针对电容连接电路，通过电容分列形式，在原有的角形连接的每一支路上并连多一个电容，此方案不仅能够降低成本（两个电容并联其电容量为C=C1+C2，而其成本小于单独的一个大电容），在设备运行中出现其中一个电容的漏液鼓包或损坏的情况下，不会导致设备的立即停机，方便维修人员先行调整设备位置等，更重要的是，该方案针对LCL滤波器自身存在的不足（即LCL滤波器属于三阶的系统，在一定的范围频率范围内会出现突变的谐振峰值，将使得系统出现震荡现象，降低整体滤波效果），能够对其谐振状态有明显的抑制作用。其实施前后电容拓扑结构及电路如下：

 

通过上述的实施，（1）L滤波器仍保留了其原有隔离高频开关频率进入电网，平滑由于整流器的高频开关而造成的线电压波形畸变的功能，同时解决了其自身产生谐振的问题；（2）使得设备在电容出现漏液鼓包或是损坏的情况下，设备仍然能保持作业，虽然滤波功能必然受到影响，但能给与设备一定的时间进行应急的调整处理，对于公司生产有着更为重要的意义。

（2）检修可视的优化

针对原有LCL滤波器电容位置隐秘，且由于电容寿命受温度影响明显，在原有位置将加速其老化损坏，加之滤波电容根据系统设计厂商（ ABB 起重机行业）应用经验，提出的每 3 年对 LCL 滤波电容进行测量，每5年进行更换的建议，我们将电容位置进行迁移的同时，增加了对电容的监测。具体实施方案如下：

(1)从原滤波模块电容接口引线至新增加的滤波电容柜。

(2)滤波电容柜内电容按角形接法，连接排列。

(3)电容柜增加散热风扇。

(4)电容柜增加电源等指示灯，以及增加互感器实现电压、电流的监测。

1. 指示灯   2. 电压监测显示   3. 电流检测显示  4. 散热风扇  5.滤波电容    6. 互感器

通过上述实施，1）设备维护人员可以更为直观的检查电容是否存在鼓包漏液现象，同时可以根据电流电压信息对电容性能进行初步的判断。2）滤波电容所处的环境得到改善，在出现问题时，更便于维修人员进行电容的更换，节省维修时间。

  新电容的连接电路见附图。

（3）成本优化

原设计滤波电容被设计成一体，一旦内部某个电容出现损坏，整个电容模块将无法继续使用。现采用排列组合的形式进行安装，电容各自独立安装，采用线路对其进行连接（连接图见附图），可单独更换损坏电容，具体对比如下：

 

3  优化结构后的优点

（1）通过对滤波电容进行并联，两小电容取代原有单独大电容的方式，一旦其中一个电容损坏，不会导致设备立即停机，从而提高设备运行稳定性，为现场生产提供应急处理时间。

（2）通过电容分列方式，解决LCL三阶系统自身存在的谐振频率问题，优化滤波器性能，使得电网质量有更明显的提升。

（3）通过可视化处理，新增专用滤波电容电柜，使得滤波电容工作环境得以改善，提高其使用寿命，同时方便设备管理人员进行监测维护，当电容出现故障后，也能更快的处理故障，减少停机时间。

4   总结

本文介绍的整流逆变功率柜LCL滤波器优化结构,使得设备运行更为稳定；通过电容分列的方式，使滤波器在拓扑结构上更为优化，有利于滤波性能的提升。而设备的电网质量得到保障后，设备其余元器件在运行过程中受冲击便会减少，整体稳定性都得到了提升。使得生产得到进一步保障；在日常生产中，突发的故障往往造成影响较大，例如港口的卸船机，在突发故障引起停机时，会导致卸船机占用大船船舱的情况，导致其他卸船机无法继续对大船进行卸货，进而导致生产全面受到影响，而通过电容的分列，使得设备不会因为一个电容的损坏立马停机，而是有充足的时间进行应急处理，可以将设备进行收桥等操作，避免影响生产。提高电容使用寿命；通过新增加的电柜，对电容的工作环境有了很大改善，从原有的相对密闭及温度较高的环境迁移至独立电容柜。同时在电容出现异常的情况下，维修人员也能更快的发现。