儲能PCS中的濾波器

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）儲能變流器（PCS）通常主要用于實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和控制，在儲能系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。它需要對電池和電網(wǎng)（或負(fù)載）之間的雙向功率流動進(jìn)行高效、穩(wěn)定的控制。

不過由于功率器件（如IGBT等）的開關(guān)動作會產(chǎn)生諧波。例如，當(dāng)變流器進(jìn)行高頻開關(guān)操作來實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換時，會產(chǎn)生大量的高次諧波。這些諧波如果不加以濾除，會對電網(wǎng)側(cè)和儲能系統(tǒng)本身造成危害。

對于儲能系統(tǒng)，諧波可能會干擾儲能系統(tǒng)內(nèi)部的控制系統(tǒng)，影響B(tài)MS對電池狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。因此，需要有濾波器來有效的濾除這些諧波，確保輸出的電能質(zhì)量符合電網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)，同時也保證儲能系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定運行。

濾波器可以作為一種有效的電磁干擾抑制手段。它能夠衰減或阻止這些干擾信號的傳播，保障儲能PCS內(nèi)部各電路之間的正常通信，同時也避免對周圍環(huán)境中的其他設(shè)備造成電磁干擾。比如在敏感的通信線路和電源線路上安裝濾波器，可以顯著降低電磁干擾的影響程度。

此外，PCS在運行過程中，有可能會出現(xiàn)功率因數(shù)較低的情況。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備對電能利用效率的一個重要指標(biāo)。當(dāng)功率因數(shù)較低時，意味著有更多的無功功率在系統(tǒng)中流動。這會導(dǎo)致系統(tǒng)的損耗增加，并且降低了系統(tǒng)的輸電能力。濾波器可以通過對無功功率進(jìn)行補償，調(diào)整電流和電壓之間的相位關(guān)系，從而提高功率因數(shù)。

舉個例子，在一些采用PWM控制的儲能PCS中，濾波器可以優(yōu)化調(diào)制后的電流波形，使電流和電壓更加接近同相位，進(jìn)而提高功率因數(shù)，減少無功損耗，提高整個儲能系統(tǒng)的效率。

PCS中的各種濾波器

通常儲能PCS的濾波器類型分為三種，如電感型濾波器、電容型濾波器以及LC濾波器（電感-電容濾波器）。

電感型濾波器主要基于電磁感應(yīng)原理，也就是電感元件在交流電路中有阻礙電流變化的特性。當(dāng)含有諧波的電流通過電感時，電感會對不同頻率的電流產(chǎn)生不同程度的阻礙作用。

在儲能PCS的輸出電流中，基波頻率（例如電網(wǎng)頻率是50Hz或60Hz）的感抗相對較小，能夠順利通過電感。而高次諧波頻率較高，其感抗就會很大。例如，對于一個10次諧波（假設(shè)基波頻率為50Hz，10次諧波頻率就是500Hz），如果電感量為1mH，根據(jù)公式計算其感抗會比基波的感抗大很多。這樣，高次諧波就會在電感上產(chǎn)生較大的電壓降，從而被衰減，達(dá)到濾除諧波的目的。

在儲能 PCS 連接電網(wǎng)的輸出端，電感型濾波器可以用來濾除變流器開關(guān)動作產(chǎn)生的高次諧波，使得注入電網(wǎng)的電流更加接近正弦波，符合電網(wǎng)接入要求。

電容型濾波器則是依托電容在交流電路中有隔直流通交流的特性，頻率越高，容抗越小。

在含有多種頻率成分的電路中，高頻成分會更容易通過電容。例如，在儲能PCS中，對于變流器內(nèi)部產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲，這些高頻信號會通過電容 “旁路” 到地。假設(shè)在一個儲能PCS的控制電路板上，有一個小容量的電容（如0.1μF）連接在電源引腳和地之間，對于高頻干擾信號（比如頻率為1MHz以上），其容抗很小，這些干擾信號就會通過電容被濾除，而不會影響電路的正常工作。

電容型濾波器在儲能PCS的電源電路和控制電路中應(yīng)用廣泛。在電源電路中，可以濾除電源紋波，提高電源的穩(wěn)定性；在控制電路中，可以防止高頻電磁干擾信號對控制芯片等敏感元件的影響。

LC濾波器結(jié)合了電感和電容的特性。它由電感和電容組成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如常見的π型和T型結(jié)構(gòu)。以π型LC濾波器為例，其兩端是電容，中間是電感。

當(dāng)含有諧波的電流通過型LC濾波器時，首先經(jīng)過第一個電容，高頻成分被電容旁路一部分。然后，中間的電感對剩余的高頻成分進(jìn)一步產(chǎn)生阻礙作用，使諧波進(jìn)一步衰減。最后，經(jīng)過第二個電容再次對高頻成分進(jìn)行旁路，這樣通過多級濾波，能夠更有效地濾除諧波。在儲能PCS中，這種LC濾波器可以用于對儲能系統(tǒng)輸出的交流電進(jìn)行精細(xì)濾波，確保輸出的電能質(zhì)量更高，更符合電網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)。

小結(jié)

顯然，濾波器在PCS中不可或缺，它主要用于濾除儲能PCS中功率器件開關(guān)動作產(chǎn)生的諧波，避免諧波對電網(wǎng)側(cè)造成電壓畸變、干擾其他電氣設(shè)備，同時防止其影響儲能系統(tǒng)內(nèi)部的控制系統(tǒng)；可以補償無功功率，調(diào)整電流和電壓的相位關(guān)系，提高功率因數(shù)，減少無功損耗，提升系統(tǒng)效率；還能抑制儲能PCS內(nèi)部各電子元件和電路工作時產(chǎn)生的電磁干擾，保障內(nèi)部通信正常，避免干擾周圍其他設(shè)備。