船电技术 2008年 第2期 Vol.28 No.2 2008.3/4
LC滤波器在三相并联有源滤波器中的
一种实用设计方法
马俊文
（海军驻株洲地区航空军代室 湖南 412002）
摘 要：本文对三相并联电力滤波器的输出LC滤波器进行了研究，考虑有源滤波器的输出电流的频宽和EMI标准对LC滤波器的参数进行设计，并给出了设计实例，仿真结果验证了设计方法的可行性。 关键词：有源滤波 LC输出滤波器 谐波 电磁传导干扰
中图分类号：TN713.1 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2008）02 -0076-04
A Practice Design Means for LC Filters in Three Phase
Active Power Filters
Ma Junwen
(Aviation Representatives Office of Zhuzhou, Hunan 412002, China)
Abstract：A discussion about design method of LC output filter for three phase APF is presented. A calculation process of the LC filter’s parameters is illustrated, in consideration of its bandwidth and EMI characteristic. For a practical example of designing, the simulation results is presented. The effectiveness of this design method is proved by the simulation. Keywords: APF; LC output filter; harmonic; EMI
谐波。其次，由于高速开关引起的很高的di/dt作为差模干扰源。另外，由有源电力滤波器的主电路结构所决定的，开关动作时会产生很高的
1引言
随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置得到了广泛的应用。然而也给电力系统带来了严重的谐波污染，有源电力滤波器已经成为电力电子应用的极具生命力的发展方向。与传统的无源滤波器相比，它有响应速度快，能够实现动态连续实时补偿的特点，并联型的电力有源滤波器并联在主电路中，相当于受控电流源，主要用于补偿负荷的无功和有功功率，吸收电流谐波以及工频电流的负序和零序分量等。补偿谐波的同时，对于其他的电力电子装置而言，有源电力滤波器也是一个谐波源。首先，对于PWM信号本身包括开关频率，开关频率的谐波和它的边频带—————————
收稿日期：2007-04-12
dv/dt，在电路的暂态过程中，它既可以产生共
模干扰，也可以产生差模干扰。因此对于有源电力滤波器的设计，既要考虑，在要求的频段内（一般是在开关频率以下）怎样可以更好的补偿谐波，又要考虑在较高的频段上满足电磁兼容的要求。
2输出滤波器的设计
2.1系统介绍
并联有源电力滤波器产生的电流应该可以补偿负载产生的谐波，这就意味着系统的开环频域响应在要求的频段内（例如50次以内）必须是平
作者简介：马俊文 (1967—)，男，工程师。研究方向：船舶电机电器。
76
Vol.28 No.2 2008.3/4 船电技术 2008年 第2期 坦并且是没有相移的。对于线电流的高频分量，输出滤波器的设计必须考虑电磁兼容的标准，来提供足够的电压衰减。对于给定直流侧电压、开关频率、EMI标准以及测量方法的前提下，是可以计算出任意频率下，对于差模电流分量，输出滤波器所需要提供的衰减值。
输出滤波器必须是无阻尼的，因为，如果是阻尼的就会引入损耗，将会影响系统保持直流侧电压为恒定值的能力。例如，考虑负载电流为恒定值的情况下，为了提高直流侧电压，控制系统中必须增加电流，这就意味着为了给电容充电，额外的电流流过变换器，如果无源滤波器是有阻尼的，那么能量就没有完全流入直流侧电容，而是有一部分消耗在电阻上，电阻损耗的功率是正比于电流的平方的，从电源端吸收的额外电流将会完全消耗掉，直流侧电压就会失控。
无源滤波器是无阻尼的，所以，在谐振频率处的相位是-180˚，如果此时的开环增益是大于0dB的，系统将是不稳定的。采用合适的电流环
电压源
iC
控制，来提供在谐振频率处足够的衰减来保证系统稳定。有源电力滤波器用于补偿50次以下的谐波，控制系统要提供2500Hz的带宽，输出滤波器的谐振频率必须在2500Hz以上才能避免不稳定。
iS
iL
负 载
有源电力滤波器
图1并联电力有源滤波器的系统框图
iL=iLh+iLf （1） ic=iLh （2） is=iL−ic=iLf （3）
ea
锁相环 u*dc
udc
正弦波
发生器
PI 积分器
1200相移
i*sai*sc
PWM调制器
波形控制器
i*sb
isa
ica icb icc
输出 滤波器
变换器
isb
图2控制算法
( b) αβ坐标下的等效电路图
图3
在图1中，设开关函数
（a）变流器的主电路图
⎧1 上管导通，下管关断； i代表a、b、c。 di=⎨
⎩0 下管导通，上管关断。
77
船电技术 2008年 第2期 Vol.28 No.2 2008.3/4 ⎡2−1−1⎤⎡da⎤⎡Sa⎤1令⎢S⎥=⎢−12−1⎥∗⎢d⎥
⎥⎢b⎥⎢b⎥3⎢
⎢⎢⎦⎦⎢⎣dc⎥⎣−1−12⎥⎦⎣Sc⎥
fco,max=
fEMI10
Adb/m*40
(7)
m 是LC滤波器单元的级联数， fEMI是产生最大
2
设α=e
j2π/3
令Ic=ica+αicb+αicc，
EMI的频率。fco, max是LC滤波器的最大谐振频率，根据最大谐振频率可以算出最小的谐振频率以及f0，最小谐振频率必须大于有源电力滤波器的带宽（2500HZ），而且谐振频率不能与开关频率相等，否则要重新设计，考虑增加LC滤波器单元的个数。
(4) 式计算LC的乘积： 1 LC=⎛⎜⎜2πf
0⎝
⎞ (8) ⎟⎟⎠
2
V=SaVdc+αSbVdc+α2ScVdc，图3（a）所示的三
相有源电力滤波器的主电路结构可以等效为图3（b）的αβ坐标下的等效电路图。
因为要求的无源滤波器具有低通的特性，因此选用LC滤波器，对于一个两阶的滤波器（一个单元）的谐振频率为：
f0=
12πLfCf
(4)
对于四阶的LC滤波器，输入阻抗为： （ 5 ） 计算开关频率处的 LC 滤波器的所需最
ω4(LfCf)2−3ω2LfCf+1 (5) Zin=
jωCf(2−ω2LfCf)
小阻抗值。 Zin
min
=
VfsImax
(9)
它的谐振频率为：
f1=0.618f0 f2=1.618f0 (6) 同理可以算出更高阶LC滤波器的谐振频率。 2.2设计步骤
在设计滤波器之前必须考虑以下几个问题： （1）为了满足任意负载下都能提供足够的电压衰减，必须考虑最坏的情况，即负载为零的情况下，所需的电压衰减值。利用阻抗稳定网络来测定当不接输出滤波器时的有源电力滤波器的传导EMI水平，用这个值减去相应的电磁兼容标准规定的值，就是LC滤波器所应提供的电压衰减值，如图4所示。
Vfs是电压矢量进行傅立叶展开的开关频率下的
幅值（最坏情况下），I max是线路所允许的最大高频输出电流。 2.3 最坏情况分析
对于一个两电平的三相有源电力滤波器而言，最坏的情况是它的输出参考电流为零时，这种情况一般发生在系统不带负载，或负载是阻性时，当然在实际情况中不会发生的，否则就失去了设计有源电力滤波器的意义，但是与PWM的三角载波的幅值相比，输出参考电流比较小时，是可以做这样的近似的，此时
Vf=
s
4Vdc
π (10)
由于LC滤波器的衰减是通过LISN
EMI 测量得到的这与直接连在主回路上时的系统的特性有一定的差别的，一般来讲，导线的高频特性是呈感性的，所以有可能会发生LC滤波器与导线谐振的情况。因此精确的知道导线的高频响应对
Adb 滤波器传递函数 电磁兼容标准
图4 EMI滤波器所需的衰减
准确设计滤波器是非常重要的。设计LC滤波器计算的L值和C值必须留有一定的余量，要综合考虑电感器和电容器在不同频段所表现的不同特性，选择合适的元件使之工作在其可应用的工作频率范围之内。
（2）选择滤波器的阶数。
（3）根据下式计算滤波器的谐振频率。 78
Vol.28 No.2 2008.3/4 船电技术 2008年 第2期
3设计实例
如图1所示的并联有源电力滤波器系统，采用图2所示的控制算法。
有源电力滤波器的参数如下： Vdc=300V, fs=20kHz, Imax=10A
考虑有源电力滤波器输出的7次电流谐波，假定用LISN测量的电压是19V，
A1=19V=120+20lg(19)=145dBμV
根据其不同的应用场合有不同的电磁兼容的标准，假定这个系统用于对工，科和医用设备进行补偿，就要考虑标准GB4824,假定为A类1组，其电压限值为66。
Adb=145-66=79
选用一个两级LC滤波器，m=2 根据式（7）计算，
fco,max=
14010
792*40
=14.4kHz
，
f0=
14.414.4
*0.618=5.5kHz =8.9kHz，f1=
1.6181.618
根据式（8）
2
1⎛⎞ LC=⎜⎟=3.2e−10
⎝2*π*00⎠
根据式（9）Zin（5）中计算，得
L=776Nf, C=0.41mH 仿真结果
4*300==38.2Ω，代入式π*10
4结论
兼顾谐波抑制和EMI标准，本文给出了三相有源电力滤波器输出滤波器的设计，并且考虑最坏情况以及导线高频特性的影响。仿真结果验证了设计方法的正确性。
参考文献
[1] 马伟明等. 电力电子系统中的电磁兼容. 武汉:武汉
水利电力大学出版社，2000.
[2] 全国无线电干扰标准化技术委员会等.电磁兼容标准
实施指南.中国标准出版社，1999.
[3] Chichiang Hua, Chinming Shen, and Gengshing Peng.
Design of Input Filter to Suppress Conducted EMI of a Single Phase UPS Inverter, Proceedings of the 1996 IEEE IECON.vol1.3 pp.1699-1704.
79
