顧偉峰

（北京天誠(chéng)同創(chuàng)電氣有限公司，北京 100176）

隨著大功率電力電子器件的發(fā)展，由于全功率變流器幾乎能在全風(fēng)速范圍內(nèi)追蹤最大風(fēng)能并具有優(yōu)異的并網(wǎng)友好性，其在現(xiàn)代大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。在采用全功率變流器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中并網(wǎng)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本一致，即由逆變電路通過(guò)網(wǎng)側(cè)濾波器與并網(wǎng)變壓器低壓側(cè)連接。而全功率變流器的逆變電路通常采用開關(guān)頻率在幾kHz的PWM控制方式，其交流側(cè)輸出PWM電壓波形經(jīng)過(guò)網(wǎng)側(cè)濾波器之后雖然并網(wǎng)點(diǎn)的諧波電壓限制能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但是受到濾波器體積和成本各方面的限制，仍會(huì)含有一定比例的與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波成分。這些高次諧波通過(guò)電控系統(tǒng)的控制變壓器會(huì)傳遞到電控系統(tǒng)的 400V交流電源側(cè)，可能造成電控系統(tǒng)的供電電源電能質(zhì)量不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，從而帶來(lái)諸多問(wèn)題，譬如控制系統(tǒng)中的電機(jī)損耗增加、電子設(shè)備壽命降低、控制系統(tǒng)受到電磁干擾而可靠性下降等[3-5]。本文在分析了產(chǎn)生 400V側(cè)諧波嚴(yán)重超標(biāo)的原因，并提出了一種電能質(zhì)量改善方案，給出了設(shè)計(jì)過(guò)程，并在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了方案的可行性。

1 應(yīng)用全功率變流器的風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)配電特點(diǎn)及存在問(wèn)題

目前應(yīng)用全功率變流器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣原理圖如圖1至圖4所示。在采用全功率變流器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中并網(wǎng)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本一致，即由逆變電路VSI通過(guò)網(wǎng)側(cè)濾波器GFR與并網(wǎng)變壓器GTF低壓側(cè)連接。

圖1 帶全功率變流器和感應(yīng)發(fā)電機(jī)的機(jī)組

圖2 帶全功率變流器和電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的機(jī)組

圖3 帶全功率變流器和低速永磁同步發(fā)電機(jī)的機(jī)組

圖4 帶全功率變流器和低速勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的機(jī)組

在配全功率變流器的風(fēng)電機(jī)組中，給電控系統(tǒng)供電的控制變壓器CTF也是連接在網(wǎng)側(cè)濾波器GFR和并網(wǎng)變壓器GTF之間，為電控系統(tǒng)提供三相400V交流電源，如圖5所示。

圖5 配全功率變流器機(jī)組的電控系統(tǒng)配電原理

全功率變流器的逆變電路通常采用開關(guān)頻率在幾kHz的PWM控制方式，其交流側(cè)輸出PWM電壓波形經(jīng)過(guò)網(wǎng)側(cè)濾波器之后雖然并網(wǎng)點(diǎn)的諧波電壓限制能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但是受到濾波器體積和成本各方面的限制，大功率變流器的網(wǎng)側(cè)濾波器的截至頻率取 10倍基波頻率和 0.5倍開關(guān)頻率之間[6]，因此機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓中仍會(huì)含有一定比例的與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波成分，而這些高次諧波會(huì)通過(guò)控制變壓器傳遞到400V側(cè)，如圖6、圖7所示為現(xiàn)場(chǎng)采集的波形及FFT分析結(jié)果（THD=2.59%）。

圖6 控制變壓器400V側(cè)線電壓波形

圖7 控制變壓器400V側(cè)線電壓諧波分析

而隨著現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量增加和技術(shù)發(fā)展，電控系統(tǒng)中會(huì)采用通用變頻器驅(qū)動(dòng)部分電動(dòng)機(jī)負(fù)載。而通用變頻器設(shè)計(jì)時(shí)為了滿足電能質(zhì)量和電磁兼容要求，其電源輸入端會(huì)采用電感、電容器件組成的濾波電路。這些濾波電路中的電容通常在幾個(gè)μF，這時(shí)有可能與電控系統(tǒng)的控制變壓器的漏感以及配電線路的電纜自感組成在諧振頻率在逆變電路開關(guān)頻率附近的諧振電路，使得高次諧波進(jìn)一步放大，電控系統(tǒng)的配電電能質(zhì)量惡化。圖 8、圖 9為機(jī)組大功率情況下機(jī)艙冷卻系統(tǒng)變頻器投入后的波形及FFT分析情況（THD=5.74%）。

圖8 帶變頻器負(fù)載時(shí)控制變壓器400V側(cè)線電壓波形

圖9 帶變頻器負(fù)載時(shí)控制變壓器400V側(cè)線電壓諧波分析

電控系統(tǒng)的供電電源電能質(zhì)量不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，會(huì)帶來(lái)諸多問(wèn)題，譬如控制系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)損耗增加、電子設(shè)備壽命降低、控制系統(tǒng)受到電磁干擾而可靠性下降等。譬如現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn) ABB的400V三相電壓檢測(cè)繼電器輸入端電路元件失效。

2 改善電能質(zhì)量的配電方案

根據(jù)上述分析可知，產(chǎn)生電控系統(tǒng) 400V側(cè)電能質(zhì)量惡化的因素有二：

1）含有與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波成分。

2）交流側(cè)帶有電容元件的負(fù)載投入，與電控系統(tǒng)配電回路中電感產(chǎn)生開關(guān)頻率附近的諧振。

其中第一個(gè)因素降低非常困難，因此可以考慮采用在控制變壓器 400V輸出側(cè)或者通用變頻器電源輸入端串聯(lián)電抗器的方式改變系統(tǒng)諧振頻率，但是兩種替代方案的缺點(diǎn)均為增加了系統(tǒng)配電的損耗，且往往增加的電抗器體積較大，存在發(fā)熱問(wèn)題，安裝和實(shí)施困難。

通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)配電布線特點(diǎn)的分析，提出如圖10所示的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖10 電控系統(tǒng)配電電能質(zhì)量?jī)?yōu)化方案

該方案通過(guò)在電控系統(tǒng)的控制變壓器的 400V側(cè)增加交流濾波電容，與控制變壓器的漏感、配電線路的自感組成LCL濾波電路（圖11），將濾波電路的諧振頻率取在小于逆變電路開關(guān)頻率fsw，大于10倍電控系統(tǒng)配電電源的基波頻率f之間。

圖11 電控系統(tǒng)配電電能質(zhì)量?jī)?yōu)化方案

目前控制變壓器采用硅鋼片鐵心，對(duì)于高頻諧波只需考慮控制變壓器的漏感，因此圖11中 LT為變壓器的漏感，計(jì)算公式如式（1）所示[7]。

式中，LT為變壓器的漏感，單位 H；zt為變壓器的短路阻抗；UT為變壓器低壓側(cè)的額定線電壓，通常為400V；ST為變壓器的額定容量，單位VA；f為變壓器的額定工作頻率，單位Hz。

圖 11中配電線路的自感 Ll：一般可按照每米1～2μH估算，大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔底到機(jī)艙供電電纜長(zhǎng)度一般大于100m，這樣Ll等于100～200μH。

這樣 LCL濾波電路的諧振頻率計(jì)算公式如式（2）所示。

式中，Cf為圖11所示中電容的容值，F(xiàn)。

根據(jù)上述公式，在計(jì)算得到LT和情況Ll下，在10×f＜fres＜fsw范圍內(nèi)取一個(gè)諧振頻率的值，就可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)，計(jì)算公式如式（3）所示。

當(dāng)三相濾波電容采用三角形連接時(shí)，每個(gè)濾波電容的容值為Cf的1/3；當(dāng)三相濾波電容采用Y形連接時(shí)，每個(gè)濾波電容的容值等于Cf。

3 方案實(shí)施案例及效果

為了驗(yàn)證上述方案的有效性，在出現(xiàn)圖8、9所示電控系統(tǒng)400V側(cè)諧波超標(biāo)的MW級(jí)機(jī)組進(jìn)行了實(shí)施。

該機(jī)組中變壓器的容量為110kVA，低壓側(cè)電壓0.4kV，短路阻抗一般為4%～5%。塔架高度80m，塔底到機(jī)艙供電電纜長(zhǎng)度約 100m，當(dāng)在變壓器400V輸出側(cè)接入一個(gè)三角形連接的濾波電容，容量為每相 100μF，這樣根據(jù)上述計(jì)算公式可以計(jì)算得到圖 11所示濾波電路的諧振頻率為 0.96～1.00kHz。

在機(jī)組大功率運(yùn)行，機(jī)艙冷卻變頻器投入運(yùn)行時(shí)的 400V側(cè)電壓波形和 FFT情況如圖 12、圖 13所示（THD=4.7%）。

比較圖9和圖13可知，在控制變壓器400V輸出側(cè)增加濾波電容后除了在 1kHz附近有諧波略有放大外，高頻諧波明顯降低。

圖12 采用優(yōu)化方案后400V側(cè)線電壓波形

圖13 采用優(yōu)化方案后400V側(cè)線電壓諧波分析

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)配全功率變流器的風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及電控系統(tǒng)配電設(shè)計(jì)、負(fù)載特點(diǎn)等進(jìn)行分析，找出了 400V側(cè)電壓高頻諧波超標(biāo)的原因，并給出了一種改善電能質(zhì)量的濾波方案。該方案巧妙地利用原來(lái)配電設(shè)計(jì)中控制變壓器和配電電纜電感參數(shù)，給出了濾波電容計(jì)算選型方法。該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）能有效改善帶全功率變流器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)的配電電能質(zhì)量，使得 400V側(cè)的電壓波形中諧波電壓滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是可以消除高次諧波諧振問(wèn)題。

2）可以使得電控系統(tǒng)中的電氣元件工作在良好的電源條件下，減少由于諧波帶來(lái)的損耗，延長(zhǎng)電氣元件的壽命。

3）可以降低電源對(duì)電控系統(tǒng)中電子設(shè)備的電磁干擾，提高電控系統(tǒng)的可靠性。

4）由于是并聯(lián)濾波電容方式，幾乎不會(huì)增加系統(tǒng)配電的功耗，安裝以及散熱設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

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