國網(wǎng)安徽省電力公司 李 淼 吳德花 王麗萍 宋祥春 魏 霞 魯 偉

考慮風電機組氣動載荷特性的風電并網(wǎng)技術研究

國網(wǎng)安徽省電力公司 李 淼 吳德花 王麗萍 宋祥春 魏 霞 魯 偉

隨著單臺風機容量的逐漸增大，風機風輪受風不均勻特性和葉片不平衡特性（即風機的載荷特性）對于風機自身結(jié)構及并網(wǎng)電能質(zhì)量的影響越來越嚴重。本文在風機整體模型基礎上，建立了風電機組啟動載荷模型，針對載荷特性的影響進行了深入研究分析，了解到傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)并不能得到良好的效果，所以在此基礎上加入了輸入功率前饋環(huán)節(jié),經(jīng)過對1．5Mw風電機組的試驗檢測,證明了具有輸入功率前饋環(huán)節(jié)的改進雙閉環(huán)控制有效的抑制輸出功率中由氣動載荷帶來的波動，避免了在特定頻率的并網(wǎng)諧振，提高風電并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

風電機組；氣動載荷；塔影效應；并網(wǎng)控制策略

1.引言

觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，在直驅(qū)同步風力發(fā)電系統(tǒng)中，永磁同步發(fā)電機與葉片直接連接，可以不用齒輪箱來增加速度是由于永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子極對數(shù)比較多，變流器與永磁同步發(fā)電機的定子側(cè)直接相連，變流器將發(fā)電機發(fā)電量進行整流，然后通過電網(wǎng)端變流器進行調(diào)壓，調(diào)相，逆變后，并入電網(wǎng)通過對永磁同步發(fā)電機和直驅(qū)電機側(cè)變流器進行控制，來捕獲最大風能。

2.直驅(qū)風電并網(wǎng)變流器主電路的設計

根據(jù)直接驅(qū)動風力發(fā)電轉(zhuǎn)換器技術的條件，設計的元件主要有電機側(cè)濾波器，網(wǎng)側(cè)濾波器，電源轉(zhuǎn)換器，共模抑制電路，而且放置開關器件預充電過量，輔助設計了制動單元。

2.1 并網(wǎng)端濾波電路

在風電并網(wǎng)系統(tǒng)中，變流器整流后的波形都是PWM 波，由于開關器件的導通關斷等控制，電量中存在著大量的諧波，因此需要在系統(tǒng)中設計相關濾波器。傳統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)濾波器為L濾波器，該電路相對簡單，同時具有運行可靠性。隨著風電并網(wǎng)功率逐步提升，開關器件控制精度提高，開關頻率的降低，系統(tǒng)中出現(xiàn)更多的諧波，傳統(tǒng)濾波器的設計面對此情況需要不斷加大電感，帶來設備體積增大，電流調(diào)節(jié)減慢等問題，本文設計了LCL濾波器，該電路設計有效的減小了電感，并有效濾除了高頻信號。

如圖1所示為本文所設計LCL濾波器，其中L1是變流器端電感，CF為濾波電容，L2為變壓器端漏感。

圖1 網(wǎng)側(cè)變流器L C L結(jié)構圖

當系統(tǒng)功率因數(shù)為單位功率因數(shù)時，由并網(wǎng)系統(tǒng)矢量關系可以得出：

公式中Um為輸出電壓最大值，EM是電網(wǎng)電壓最大值，Im為交流流輸出的最大值。經(jīng)過計算可以得出：L11 ＜ 652uH

當并網(wǎng)系統(tǒng)工作在無功輸出狀態(tài)中時，由式

經(jīng)過計算有： L11 ＜ 210uH

圖2 L C L濾波單相電路圖

如圖2所示，并網(wǎng)系統(tǒng)工作時，電網(wǎng)電量設定為理想狀態(tài)，沒有諧波，系統(tǒng)正常工作L11 還要滿足以下條件，

其中ω為基波角頻率，U(n)為n次諧波電壓，I(n)為諧波電流的最大值。

在濾波電容的設計中，該值因系統(tǒng)傳感器位置不同而選取方法不同，本文設計中電流傳感器為電網(wǎng)端變流器電流，電壓傳感器為濾波電容電壓，系統(tǒng)單位功率狀態(tài)運行時變流器等效阻抗為：

其中，P為額定功率，E為電網(wǎng)電壓峰值。

系統(tǒng)并網(wǎng)工作時X21=ωL21，X11=ωL11,Xc=1/ωCF1,可得：

系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定運行條件為X21Xc2 +X21Xb2-XcXb2=0，因此經(jīng)過計算可得濾波電容值。LCL濾波器通常利用變壓器的漏感當做L21，因此不再重復設計。

通過仿真軟件，針對以上理論進行仿真，如圖3所示，諧波主要分布在開關頻率fs1=2.1kHz 周圍，THD=3.92%，仿真結(jié)果表明諧波滿足并網(wǎng)的要求。

圖3 網(wǎng)側(cè)電流諧波分析圖

2.2 電機側(cè)d u/d t 濾波器

風電并網(wǎng)系統(tǒng)中，變流器和發(fā)電機的位置不同，其中變流器位于塔底，而發(fā)電機置于在塔頂，因此要想把PWM驅(qū)動脈沖傳輸?shù)桨l(fā)電機接線端，需要有較長的電纜線來輔助變流器發(fā)電機定子。長線電纜的漏感和耦合電容，在變流器輸出的高頻PWM波作用下，形成電壓反射高頻差模du/dt，造成高壓破環(huán)電機絕緣。

為解決長電纜和高頻波帶來的問題，本文設計了RLC電路對變流器高頻信號進行濾波，如圖4所示。

圖4 d u/d t濾波電路

電壓反射原理要求當tt＜ tr / 3時，電壓峰值為：

其中v為脈沖速度；l為電纜長度；tt為輸出脈沖到整流變流器時間；tr為脈沖上升時間；N2為電機反射系數(shù)。在本文所設計并應用實驗平臺中，du/dt為800V/us，計算得出線電壓峰值2060V。輸出脈沖的上升時間大于1.375us，但系統(tǒng)開關器件開斷時間為100ns，超過要求系統(tǒng)有電壓反射的危險。因此本文設計了RLC電路對變流器高頻信號進行濾波，R起阻尼作用。LC諧振周期計算如下：

為了抑制諧振產(chǎn)生的過電壓，同時限制電容的電流脈沖峰值，考慮到設置阻尼電阻，研究發(fā)現(xiàn)阻尼電阻的阻值選取不能過大也不能過小，所以通常要將其限制在臨界電阻附近較好

2.3 共模抑制電路

在風電并網(wǎng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出電壓主要分為三個部分，其中包括正序分量，零序分量和負序分量。電機端整流變流器輸出高頻電壓在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙電容的作用下，電機定子中點的高頻共模電壓將，該電壓將在電機上感應軸電壓和軸電流，在電機電磁場中產(chǎn)生較大電動力，破壞電機結(jié)構。為解決以上問題，本文在傳統(tǒng)抑制電路中加入Y電容抑制共模電壓。經(jīng)仿真實驗和實物平臺實驗Y電容選取值為8uF。

3.互饋實驗

為驗證本文所提出的相關理論和電路，利用實驗平臺進行了互饋功率實驗，為驗證電機性能及系統(tǒng)狀態(tài)，利用變流器能量回饋實驗驗證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性及并網(wǎng)效率。系統(tǒng)試驗拓撲結(jié)構如圖5所示，利用變壓器T1升壓380V升至10KV，進而通過降壓變壓器T2、T3分別將10KV交流電變?yōu)?90v。T3出線通過斷路器S2接到機側(cè)變流器，而T2出線經(jīng)過斷路器S1與變流器相連。

圖5 變流器回饋實驗平臺拓撲構

圖6 1 MW 下網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖

圖7 1 MW 下機側(cè)電壓電流波形圖

本文所采用背靠背功率實驗分為三步，第一步是從電網(wǎng)吸收功率輸入到風電機組整流后直流端，第二步變流器進行逆變注入功率，第三步將利用變流器逆變將電量并網(wǎng)。與此同時，變壓器沒辦法做到滿功率，因為實驗臺變壓器功率受到限制，同時如圖7所示我們給出了在1MW情況下變壓器工作波形，正方向為并網(wǎng)變流器電流方向。如圖6所示，中間直流電壓平穩(wěn)，電壓值為1100v,電流波形完整，有效值為857A，電流超前電壓90°，滿足風電并網(wǎng)要求。

圖8 機側(cè)交流電壓波形圖

觀察圖7中的PWM脈沖波形可以看出風電機組側(cè)電流波形狀況良好，同時相間電壓Ubc滯后A相電流Ia 90°，能夠?qū)崿F(xiàn)將風電機組發(fā)電正常的整流工作。圖8為電機端變流器輸出PWM波形的上升沿。

4.結(jié)語

在1.5Mw風電機組的試驗檢測,證明了具有輸入功率前饋環(huán)節(jié)的改進雙閉環(huán)控制有效的抑制輸出功率中由氣動載荷帶來的高次諧波的擾動，避免了在特定頻率的并網(wǎng)諧振，提高風電并網(wǎng)的電能質(zhì)量。同時永磁直取風機具有良好可靠性，在發(fā)電系統(tǒng)中的應用前景會越來越好。

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