趙梓航，王海云，唐新安，王佳

（1．新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊830047；2．北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京100176）

0 引 言

2016年我國(guó)風(fēng)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1．69億千瓦［1］，隨著風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量和海上累計(jì)裝機(jī)容量的持續(xù)增長(zhǎng)，風(fēng)電變流器產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)出整體增長(zhǎng)模式。其中風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，也使得機(jī)組變流器的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠理想可靠地向電網(wǎng)提供電力，分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同變流器對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響就顯得尤為重要［2-4］。

樊熠等基于對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析，得出變流器網(wǎng)側(cè)濾波電容容抗與箱變感抗是引起機(jī)組諧振的主要原因［5］；Melício 等比較了變流器的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相比經(jīng)典的整數(shù)階控制策略［6］，發(fā)現(xiàn)采用分?jǐn)?shù)階控制的多電平變流器能有效改善風(fēng)電機(jī)組的諧波釋放；Yin Xiuxing等利用模糊積分滑模電流控制策略，配合諧波補(bǔ)償器［7］，達(dá)到了消除機(jī)組機(jī)側(cè)高次電壓諧波的目的；Noshahr仿真研究了微網(wǎng)中永磁同步電機(jī)在全功率變頻器切換操作下的諧波釋放水平［8］，發(fā)現(xiàn)對(duì)諧波的釋放和抗擾度影響特別大的頻率區(qū)間為2 kHz-150 kHz；Seixas等介紹了五次諧波含量對(duì)PMSG風(fēng)機(jī)影響的計(jì)算模擬［9］，為此提出了一種新的輸出電壓矢量選擇控制策略；He Yifei等基于VSC變流器使用PI、PR級(jí)聯(lián)控制器［10］，仿真發(fā)現(xiàn)能有效地補(bǔ)償負(fù)序電流，抑制諧波水平；Huo Xianxu等為補(bǔ)償風(fēng)電機(jī)組的電壓畸變［11］，在多級(jí)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)入相應(yīng)次級(jí)的電流諧波，達(dá)到了很好的效果。以上文獻(xiàn)都從仿真角度出發(fā)研究風(fēng)電機(jī)組變流器的諧波水平，并未考慮實(shí)際工況下機(jī)組變流器諧波、間諧波、高頻分量的釋放水平及特征。

基于兩種不同類型的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，詳述了機(jī)組I型被動(dòng)整流變流器與II型主動(dòng)整流變流器，結(jié)合IEC標(biāo)準(zhǔn)方法，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)比分析了I型被動(dòng)整流變流器與II型主動(dòng)變流器電流諧波、電流間諧波和電流高頻分量的釋放水平及特征。

1 變流器區(qū)別

變流器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中主要起到解耦和電能轉(zhuǎn)換的作用，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配備不同的變流器時(shí)，變流器性能結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)也直接影響到了機(jī)組。表1為兩組變流器主要信息的對(duì)比。

表1 變流器信息比較Tab．1 Information comparison between two converters

在核心元件方面，I型被動(dòng)整流變流器的核心元件為10支結(jié)構(gòu)相同的IGBT模塊，相互可以互換，拆卸便捷，缺點(diǎn)是抗干擾能力稍差。II型主動(dòng)整流變流器技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用廣泛，但高度的整合使得更換變流器時(shí)成本要比I型變流器高出許多。

在冷卻方式方面，I型被動(dòng)整流變流器采用空冷的方式，II型主動(dòng)整流變流器采用水冷的方式。因?yàn)樗谋葻嵯禂?shù)大，所以水冷的方式更有利于變流器柜體的散熱，但同時(shí)獨(dú)立的柜體使制造成本加大，并且如果水冷柜發(fā)生漏水現(xiàn)象，會(huì)大大增加機(jī)組的故障率。

在柜體結(jié)構(gòu)方面，I型被動(dòng)整流變流器中的IGBT單元在柜中疊加布置，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約了大量空間，缺點(diǎn)是一旦其中的元件被燒毀，可能會(huì)造成相鄰元件的附加損傷。而II型主動(dòng)整流變流器在柜體中采用并排獨(dú)立的安裝方式，結(jié)構(gòu)上顯然會(huì)優(yōu)于I型變流器。

以下章節(jié)詳細(xì)介紹了I型被動(dòng)整流變流器和II型主動(dòng)整流變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制原理。

2 I型被動(dòng)整流變流器

I型被動(dòng)整流變流器整體可近似分為整流、升壓、逆變?nèi)蟛糠?。主回路、控制回路和配電回路共同組成整個(gè)I型變流器的硬件部分。

主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在網(wǎng)側(cè)斷路器閉合之前，預(yù)充電回路先對(duì)直流母排進(jìn)行預(yù)充電，以此防止網(wǎng)側(cè)主斷路器閉合時(shí)，直流母排上大容量的電容對(duì)電網(wǎng)造成大的沖擊傷害。

圖1 I型變流器主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig．1 Main circuit topology of type I converter

當(dāng)母線電壓達(dá)到一定值，預(yù)充電完成，網(wǎng)側(cè)主斷路器閉合。機(jī)側(cè)補(bǔ)償電容的作用是，補(bǔ)償非線性負(fù)載的無(wú)功，使發(fā)電機(jī)端電壓、電流同相位。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)要求時(shí)，電能經(jīng)過(guò)二極管整流橋模塊（兩套三相全橋不可控整流），將頻率、電壓不穩(wěn)定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，這使得電路中雜散電感幾乎不存在。

定子電流表達(dá)式如公式（1）所示，式中ik為各次諧波電流，φik為各次諧波電流相位，k=6n±1（n=0，1，2…，k＞0），機(jī)側(cè)采用不控整流后，電流存在 6n±1次諧波。

經(jīng)過(guò)并聯(lián)電容對(duì)所得直流電濾波和穩(wěn)壓之后，三重Boost電路升壓后控制整流后的電流，由斬波相位互差120°的斬波模塊完成。對(duì)于這三支IGBT模塊，發(fā)揮功能的是其中上橋臂和下橋臂反并聯(lián)的二極管。并聯(lián)的電容中點(diǎn)接地，分割直流母線電壓，降低絕緣等級(jí)。制動(dòng)模塊利用制動(dòng)電阻釋放多余能量，從而維持直流母線電壓穩(wěn)定。

逆變部分為三相全橋有源逆變，采用SPWM控制方式，三相由六支IGBT模塊兩兩連接組成。將升壓斬波后的直流電，變換成與電網(wǎng)同相位、工頻50 Hz的交流電。同時(shí)考慮并網(wǎng)電流中的高頻諧波分量，加入濾波電容，以滿足電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)電流畸變率的要求。

3 II型主動(dòng)整流變流器

基于全控器件的PWM變流器能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，如果將直流母線電壓近似恒定，則雙PWM變流器即等效為兩個(gè)變流器背靠背串接。

3．1 機(jī)側(cè)控制原理

電機(jī)側(cè)變流器控制目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)電機(jī)發(fā)出的交流電整流，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，精確地對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)永磁同步電機(jī)與風(fēng)機(jī)同軸，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制就是對(duì)風(fēng)機(jī)扇葉的轉(zhuǎn)速控制，從而改變獲得風(fēng)能的大小。

如圖2所示，II型主動(dòng)整流變流器，機(jī)側(cè)采用了基于磁場(chǎng)定向矢量控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)磁鏈ψf和電磁轉(zhuǎn)矩Te的解耦，加以對(duì)定子磁場(chǎng)磁鏈?zhǔn)噶糠较虻目刂啤Ｍㄟ^(guò)控制機(jī)側(cè)電流iW、iV、iU，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的控制和功率傳輸，對(duì)發(fā)電機(jī)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，間接控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，追蹤機(jī)組的最大功率輸出。同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓uDC進(jìn)行控制，在高轉(zhuǎn)速時(shí)，施加弱磁控制，維持發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定。電機(jī)電流方程如下：

式中ωe為電角速度；Rs為定子電阻；空載電勢(shì)Es=ωeψf。

相較傳統(tǒng)的電機(jī)控制，需要利用速度傳感器觀測(cè)轉(zhuǎn)子位置而言，這里機(jī)側(cè)變流器采用了無(wú)速度傳感器控制技術(shù)，可減小誤差、提高系統(tǒng)魯棒性。

圖2 機(jī)側(cè)控制原理框圖Fig．2 Block diagram of generator side converter

3．2 網(wǎng)側(cè)控制原理

電網(wǎng)側(cè)變流器在保證直流母線電壓恒定且高于電網(wǎng)電壓的同時(shí)，有效的將良好的電能輸送至電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障，電壓跌落時(shí)，需要變流器向電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

II型變流器網(wǎng)側(cè)采用了電網(wǎng)電壓定向矢量控制，控制原理上與機(jī)側(cè)變流器類似。圖3的應(yīng)用軟件框圖中，功率變換器的電壓控制模式為可選模式，無(wú)功電流可以根據(jù)機(jī)組控制器的無(wú)功指令Q、電網(wǎng)電壓Us直接給定：

電流ia，ib，ic從三相靜止坐標(biāo)，兩相靜止坐標(biāo)，在經(jīng)過(guò)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，其數(shù)學(xué)模型可表示為：

變換后可以發(fā)現(xiàn)，id、iq電流除受控制量ud、uq影響外，還受到耦合項(xiàng)與網(wǎng)側(cè)電壓ed、eq的干擾。于是利用電網(wǎng)基波正序分量矢量的定向約束，在工頻同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)有功、無(wú)功電流解耦，得到最終簡(jiǎn)化狀態(tài)方程如式5所示。

這里，網(wǎng)側(cè)變流同時(shí)利用電網(wǎng)電壓定向矢量控制構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)、直流母線電壓外環(huán)的控制系統(tǒng)，當(dāng)母線電容大小合適，控制參數(shù)整定合理的情況下，有效維持母線電壓近似恒定，以實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器的獨(dú)立。

式中Kp、Ki為控制環(huán)的比例參數(shù)與積分參數(shù)，i?d，i?q為交流側(cè)逆變指令電流。

通過(guò)調(diào)整有功無(wú)功大小，網(wǎng)側(cè)變流可在全功率因數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行，電網(wǎng)電壓低時(shí)，可以發(fā)出容性無(wú)功，支撐電網(wǎng)電壓。電網(wǎng)電壓過(guò)高時(shí)，吸收感性無(wú)功，降低電網(wǎng)電壓。

圖3 網(wǎng)側(cè)控制原理框圖Fig．3 Block diagram of grid side converter

4 試驗(yàn)方法

IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)的電流諧波（至少50倍基波分量）、間諧波（2 kHz以下）和高頻分量（2 kHz～9 kHz）都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行測(cè)量［12］。

試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)10%功率區(qū)間至少采集了9個(gè)（三次測(cè)量和三相）10分鐘的瞬時(shí)電流連續(xù)測(cè)量量。頻譜的測(cè)量和分組符合IEC 61000-4-7［13］的要求。對(duì)于測(cè)得的矩陣加權(quán)電流，都應(yīng)用離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）。本系統(tǒng)使用10周期采樣。

同時(shí)，變流I型機(jī)組通過(guò)35 kV升壓變接入風(fēng)場(chǎng)，箱變高壓側(cè)短路容量為186 MV·A；變流II型機(jī)組通過(guò)38．5 kV升壓變接入風(fēng)場(chǎng)，箱變高壓側(cè)短路容量為204 MV·A。電流線圈統(tǒng)一安裝在圖4風(fēng)電機(jī)組變流器網(wǎng)側(cè)母排上，數(shù)采設(shè)備使用DEWE 3020型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，風(fēng)速信號(hào)由機(jī)艙風(fēng)速計(jì)獲得。

圖4 電能質(zhì)量測(cè)量點(diǎn)Fig．4 Test points of power quality

在電網(wǎng)畸變率最小的情況下，測(cè)量結(jié)果基于每一個(gè)有功功率區(qū)間觀測(cè)10分鐘。剔除了明顯地被電網(wǎng)背景噪聲作用的測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)任何次諧波其諧波電流如果小于In的0．1%，則不記錄?？傊C波電流畸變率（Total Harmonic Current Distortion， THC）計(jì)算如下：

式中Ih為第h次諧波電流的有效值；In為風(fēng)機(jī)額定電流。

這里并沒(méi)有測(cè)量風(fēng)機(jī)啟動(dòng)或其他開(kāi)關(guān)操作引起的短時(shí)間諧波。

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)期間機(jī)組無(wú)功功率設(shè)定為Q=0，變流I型機(jī)組數(shù)采設(shè)備采樣頻率40 kHz，變流II型機(jī)組采樣頻率20 kHz。為更好地顯示出每組結(jié)果數(shù)據(jù)的特性，下列圖組中右側(cè)刻度并沒(méi)有使用統(tǒng)一的量度。

圖5、圖6兩類機(jī)組變流器的各次諧波電流含量中，I型變流器出現(xiàn) 2、3、4、5、7、19、23 次電流諧波，3、5、7次電流諧波含量高，尤其是3次諧波，在所有功率區(qū)間平均值達(dá)到2．64%，滿發(fā)狀態(tài)下最大值為3．4%。

圖5 I型變流器各功率區(qū)間各次諧波電流含量Fig．5 Content of harmonic currents for each active power bin of converter I

II型變流器出現(xiàn) 2～8、11、13、17、19、23 次諧波，諧波次數(shù)出現(xiàn)率遠(yuǎn)高于變流I型機(jī)組，同時(shí)最大電流諧波含量出現(xiàn)在5次諧波上，平均值為1．21%，最大值為1．45%。另外，兩類機(jī)組變流器31次～50次諧波電流含量均為零，這里并沒(méi)有表示出來(lái)。

可以發(fā)現(xiàn)，兩類機(jī)組變流器電流諧波含量均出現(xiàn)在2、3、6k±1（k為正整數(shù)）等諧波次數(shù)上，含量隨著次數(shù)的增高而降低。II型變流器較I型變流器而言，產(chǎn)生的電流諧波幅值小、分布相對(duì)分散，這是由于機(jī)組變流系統(tǒng)采用了不同的調(diào)制方式［14-15］。并且I型變流器未出現(xiàn)大面積的偶次諧波，說(shuō)明其產(chǎn)生的電流波形具有良好的半波對(duì)稱性。

圖6 II型變流器各功率區(qū)間各次諧波電流含量Fig．6 Content of harmonic currents for each active power bin of converter II

圖7 、圖8間諧波結(jié)果圖中，總頻率范圍為75 Hz～1 175 Hz，統(tǒng)計(jì)間隔為 50 Hz。I型變流器在 75 Hz、125 Hz、175 Hz、225 Hz頻率出現(xiàn)間諧波含量，均值為0．18%，最大值為 0．28%。

圖7 I型變流器各功率區(qū)間間諧波含量Fig．7 Content of inter-harmonics for each active power bin of converter I

圖8 II型變流器各功率區(qū)間間諧波含量Fig．8 Content of inter-harmonics for each active power bin of converter II

II型變流器間諧波含量分布則表現(xiàn)出不均勻、不連續(xù)的趨勢(shì)，在 75 Hz～225 Hz、775 Hz～975 Hz都出現(xiàn)電流間諧波，均值為0．19%，最大值為1．04%。兩類機(jī)組變流器在1 175 Hz～1 975 Hz都沒(méi)有出現(xiàn)間諧波含量。需要指出的是，目前IEC間諧波檢測(cè)方法并不完善，檢測(cè)結(jié)果存在一定的泄漏效應(yīng)［16］。

圖9、圖 10中，電流高頻分量的中心頻率為 2．1 kHz～8．9 kHz，統(tǒng)計(jì)間隔 0．2 kHz。 I 型變流器在 4．7 kHz、4．9 kHz頻率出現(xiàn)電流高頻分量，幅值均勻，均值為0．16%，最大值為0．17%；II型變流器出現(xiàn)范圍更廣，頻率更高，在 3．3 kHz～3．9 kHz、6．9 kHz～7．3 kHz 頻率都出現(xiàn)電流高頻分量，均值為0．23%，最大值0．39%。

圖9 I型變流器各功率區(qū)間電流高頻分量Fig．9 Content of higher frequency components for each active power bin of converter I

圖10 II型變流器各功率區(qū)間電流高頻分量Fig．10 Content of higher frequency components for each active power bin of converter II

總諧波電流畸變率如圖11所示，兩類機(jī)組變流器總諧波電流畸變率THC指標(biāo)都沒(méi)有超出IEC標(biāo)準(zhǔn)限定值5%。隨著機(jī)組輸出功率的上升，I型變流器THC呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，II型變流器呈現(xiàn)平穩(wěn)發(fā)展趨勢(shì)；其中II型變流器產(chǎn)生的 THC含量低于 I型變流器，最值為2．52%，I型變流器為 3．44%。

圖11 總諧波電流畸變率Fig．11 THC distortion rate

6 結(jié)束語(yǔ)

基于兩類并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，以不同變流器系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）兩類機(jī)組變流器電流諧波釋放水平均符合并網(wǎng)規(guī)范。I型變流器采用了不控被動(dòng)整流方式，II型變流器采用可控主動(dòng)整流方式。II型變流器電流諧波水平 2．52%低于 I型變流器3．44%；

（2）當(dāng)機(jī)組相同配置時(shí)，風(fēng)電機(jī)組變流器系統(tǒng)不同時(shí)，諧波釋放水平是不同的。在分析風(fēng)場(chǎng)級(jí)的諧波問(wèn)題時(shí)，風(fēng)電機(jī)組變流器的具體控制參數(shù)是有必要說(shuō)明的。