單谷云， 倪正人， 黃國強

(上海電氣輸配電集團，上海 200042)

雙饋風(fēng)力發(fā)電中網(wǎng)側(cè)LC濾波器的控制研究

單谷云， 倪正人， 黃國強

(上海電氣輸配電集團，上海 200042)

提出在雙饋風(fēng)力發(fā)電中使用LC濾波器取代LCL濾波器，在不影響電能質(zhì)量的基礎(chǔ)上，可以節(jié)省空間和成本。根據(jù)不同的工況濾波電容可采用星形或者三角接法。針對接入電容可能引起的諧振現(xiàn)象，采用了電網(wǎng)電壓采樣的方法來抑制諧振，并在離散域中分析了增益系數(shù)值和采樣控制周期對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后仿真和實驗證明了方法的可行性。

風(fēng)力發(fā)電；雙饋感應(yīng)電機；LC濾波；PWM整流器；諧振

0 引 言

LCL結(jié)構(gòu)的濾波器已廣泛應(yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電等大功率應(yīng)用場合，包括ABB在內(nèi)的公司也都采用該結(jié)構(gòu)。LCL結(jié)構(gòu)的濾波器具有電感量小，高頻濾波效果好等優(yōu)點[1]。但LCL濾波器占用空間較多，成本較高。同時LCL濾波器固有的諧振問題，會導(dǎo)致電壓和電流波形的畸變，需要增加有源或者無源阻尼來抑制諧振[2]256-261，這增加了系統(tǒng)設(shè)計的成本和難度。

本文提出使用LC濾波器取代LCL濾波器，在不影響濾波效果的前提下，減少濾波器占用的空間和成本。針對加入電容有可能引起的系統(tǒng)諧振，引入電網(wǎng)電壓采樣來抑制諧振。最后通過仿真與實驗驗證了所述方法的有效性。

1 系統(tǒng)原理

在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)由一臺主變壓器供電，變壓器本身具有阻抗。當(dāng)并網(wǎng)斷路器合上以后，雙饋感應(yīng)電機定子側(cè)的漏感與LCL濾波器并聯(lián)，如圖1所示。以上兩個因素會使得等效電路中前一個電感值發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)諧振頻率的偏移。工程中使用的供電變壓器阻抗與濾波器電感具有相同的數(shù)量級，在不影響原系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，可以省略前一個電感，改為LC結(jié)構(gòu)。LC結(jié)構(gòu)濾波器中的電容可根據(jù)現(xiàn)場情況采用三角接法或者星形接法，如圖2中(a)(b)所示。

角接電容可以吸收線電壓間的高頻分量，改善線電壓波形，可用在圖3(a)中的風(fēng)電供電系統(tǒng)中。市場上角接電容產(chǎn)品比較豐富，成本相對較低。而在圖3(b)所示采用主輔一體的多繞組變壓器供電時，采用星形接法效果更好。星形接法可將PWM整流器產(chǎn)生的相間共模電壓通過接地系統(tǒng)就近引入大地，阻止其流動至供電電源端，產(chǎn)生串?dāng)_，影響供電電源和其他設(shè)備的電能質(zhì)量。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)單線圖

圖2 基于LC濾波的PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)

圖3 主輔供電變壓器接法示意圖

圖4 單相等效電路圖

2 數(shù)學(xué)模型

LC結(jié)構(gòu)的濾波器省略了

原來LCL濾波中靠近電網(wǎng)側(cè)的電抗器，但考慮到供電變壓器漏感的因素，模型等效于LCL結(jié)構(gòu)。其單相等效電路圖如圖4所示。

等效電路的電流電壓傳遞函數(shù)為

(1)

3 控制算法設(shè)計

工程上比較常見的抑制諧振的方法主要包括硬件和軟件兩種。硬件方法主要是在電容回路串聯(lián)電阻，軟件方法主要是通過構(gòu)造負諧振峰來將諧振點的增益減小[2]261-269。硬件方法會增加系統(tǒng)的損耗和發(fā)熱，一般采用軟件方法來抑制諧振。當(dāng)采用LCL結(jié)構(gòu)濾波器時軟件方法抑制諧振需要采樣電容上的電壓[3-4]或電流[5]，或者采用電壓重構(gòu)和磁鏈估算的方法[6]，這些都增加了系統(tǒng)設(shè)計的成本和難度。LC濾波器的電容是并聯(lián)在電網(wǎng)側(cè)，電容電壓等于電網(wǎng)電壓，可根據(jù)電網(wǎng)電壓來估算電容電流，將估算電流反饋到輸出端，起到抑制諧振的作用。但電容電壓和電流之間存在微分關(guān)系，微分環(huán)節(jié)不易實現(xiàn)，會引入噪聲，所以考慮采用超前校正環(huán)節(jié)來替代微分環(huán)節(jié)。由于采用雙環(huán)控制時，電壓外環(huán)的帶寬一般是電流內(nèi)環(huán)的1/5到1/10，分析時主要考慮電流內(nèi)環(huán)的影響。電流內(nèi)環(huán)采用PI控制器，其傳遞函數(shù)：

(2)

當(dāng)采用電網(wǎng)電壓的反饋時，電容電壓和PWM整流器橋臂側(cè)電壓之間的傳遞函數(shù)：

(3)

使用超前環(huán)節(jié)來校正，其傳遞函數(shù)：

(4)

圖5 無校正環(huán)節(jié)的電流內(nèi)環(huán)控制框圖

圖6 有超前校正環(huán)節(jié)的電流內(nèi)環(huán)控制框圖

圖7 無校正和有超前校正環(huán)節(jié)電流內(nèi)環(huán)開環(huán)伯德圖

4 仿真與實驗

在MATLAB中搭建仿真模型，仿真參數(shù)如下：網(wǎng)側(cè)電壓690 V，直流電壓1 100 V，PWM整流器橋臂側(cè)電感L為0.3 mH，濾波電容C為200 μF，等效電感L1為0.2 mH，開關(guān)頻率3 kHz，控制周期100 μs。根據(jù)圖5和圖6所示的控制框圖畫出該系統(tǒng)無校正環(huán)節(jié)和有超前校正環(huán)節(jié)(Kd=0.08)的電流內(nèi)環(huán)開環(huán)伯德圖，如圖7所示。

圖8 Kd取不同值時電流內(nèi)環(huán)根軌跡圖

從圖7可以看到，增加超前校正環(huán)節(jié)后，原系統(tǒng)的幅頻相頻特性基本沒有改變，諧振頻率附近的幅值增益被限制到了0 dB以下。超前校正環(huán)節(jié)中系數(shù)Kd的不同取值，將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖8表示了Kd的取值在0到0.2之間變化時，電流內(nèi)環(huán)的根軌跡。當(dāng)Kd=0.08時，系統(tǒng)具有較大的穩(wěn)定裕度和較好的動態(tài)響應(yīng)。當(dāng)Kd逐漸增大或者減小，會有極點落在單位圓外，此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

圖9 Kd=0.08，不同L1時的根軌跡圖

圖10 Kd=0.02，不同L1時的根軌跡圖

圖11 Kd=0.08，控制周期變化時的根軌跡圖

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，等效電感L1具有不確定性，故用根軌跡圖來討論等效電感L1不同時對于系統(tǒng)的影響。圖9和圖10分別表示等效電感L1從0 mH增大到0.4 mH，Kd取不同值時電流內(nèi)環(huán)根軌跡圖。在不改變超前校正環(huán)節(jié)參數(shù)Td和α的前提下，選擇合適的Kd值能夠在等效電感量變化較寬的范圍內(nèi)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，但在某些電感量范圍內(nèi)，該Kd值會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，需要作相應(yīng)的調(diào)整。

此外，控制周期對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有極大的影響[7]。圖11是Kd=0.08，控制周期從500 μs變化到100 μs時電流內(nèi)環(huán)根軌跡圖，從圖中可以看到在選定Kd值以后，控制周期減小，極點朝圓心方向移動，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖12 單L濾波網(wǎng)側(cè)電壓波形

搭建與仿真參數(shù)一致的實際系統(tǒng)。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)PWM整流器采用單L濾波，LCL濾波和LC濾波時的電壓電流波形如圖12，13，14所示。采用LC濾波后，PWM整流器產(chǎn)生的高頻開關(guān)分量被電容旁路，電網(wǎng)電壓波形與LCL濾波相比差別不大，增加的超前校正環(huán)節(jié)有效抑制了系統(tǒng)的諧振。

圖13 LCL濾波網(wǎng)側(cè)電壓波形

圖14 LC濾波網(wǎng)側(cè)電壓和電容電流波形

5 結(jié)束語

本文研究了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)LC濾波器及其控制算法，與LCL濾波相比，結(jié)構(gòu)更為簡單，利用電網(wǎng)電壓采樣來抑制諧振無需額外增加傳感器，節(jié)省成本，具有較好的實用價值和應(yīng)用前景。

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A Study on the Control of the Grid-side LC Filter in Doubly-fed Wind Power Generation

Shan Guyun, Ni Zhengren, Huang Guoqiang

(Power Transmission and Distribution Group, Shanghai Electric, Shanghai 200042, China)

This paper proposes replacement of LC filter by LCL filter in doubly-fed wind power generation to save space and cost without affecting electric power quality. Star or delta connection of the filter capacitor could be adopted according to different working conditions. As resonance might be caused by capacitor connection, grid voltage is sampled to suppress resonance, and the impact of gain factor and sampling control period upon system stability is analyzed in the discrete domain. Finally, simulation and experimental result prove the feasibility of this approach.

wind power generation； DFIG；LC filter； PWM rectifier； resonance

TM461

A

1000-3886(2017)04-0032-03

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.010

定稿日期: 2016-09-29

單谷云(1983-)，男，江蘇無錫人，碩士，工程師，主要研究方向為雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。 倪正人(1979-)，男，上海人，碩士，工程師。 黃國強(1988-)，男，江西人，本科，工程師。