学术︱提高风力发电机组电控系统电能质量的配电设计方案
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北京天诚同创电气有限公司的研究人员顾伟峰，在2015年第11期《电气技术》杂志上撰文，现代大功率风力发电机组中，由于采用PWM控制方式的全功率变流器的应用，机组电控系统的400V交流电压会含有一定的与变流器网侧逆变器开关频率相关的高次谐波。而随着现代风力发电机组容量增加和技术发展，电控系统中会采用类似通用变频器之类的电源输入端带电容元件的设备，这些电容可能与控制变压器的漏感以及配电线路的电缆自感组成在谐振频率在逆变电路开关频率附近的谐振电路，使得高次谐波进一步放大，电控系统的配电电能质量恶化。
本文提出了一种配电设计方案，能够有效地滤除电控系统的控制变压器的400V交流电源中的高次谐波，提高配电电能质量，从而提高电控系统中设备的寿命和可靠性。现场应用数据验证了该方案的有效性。
随着大功率电力电子器件的发展，由于全功率变流器几乎能在全风速范围内追踪最大风能并具有优异的并网友好性，其在现代大功率风力发电机组中的应用越来越广泛[1-2]。
在采用全功率变流器的风力发电机组中并网点的拓扑结构基本一致，即由逆变电路通过网侧滤波器与并网变压器低压侧连接。而全功率变流器的逆变电路通常采用开关频率在几KHz的PWM控制方式，其交流侧输出PWM电压波形经过网侧滤波器之后虽然并网点的谐波电压限制能够满足国家标准要求，但是受到滤波器体积和成本各方面的限制，仍会含有一定比例的与开关频率相关的高次谐波成分。
这些高次谐波通过电控系统的控制变压器会传递到电控系统的400V交流电源侧，可能造成电控系统的供电电源电能质量不满足国家标准要求，从而带来诸多问题，譬如控制系统中的电机损耗增加、电子设备寿命降低、控制系统受到电磁干扰而可靠性下降等[3-5]。
本文在分析了产生400V侧谐波严重超标的原因，并提出了一种电能质量改善方案，给出了设计过程，并在现场测试验证了方案的可行性。
1 应用全功率变流器的风电机组电控系统配电特点及存在问题
目前应用全功率变流器的风力发电机组电气原理图见图1-4所示。在采用全功率变流器的风力发电机组中并网点的拓扑结构基本一致，即由逆变电路VSI通过网侧滤波器GFR与并网变压器GTF低压侧连接。
图1 带全功率变流器和感应电机的机组
图2 带全功率变流器和电励磁同步电机的机组
图3 带全功率变流器和低速永磁同步电机的机组
图4 带全功率变流器和低速励磁同步电机的机组
在配全功率变流器的风电机组中，给电控系统供电的控制变压器CTF也是连接在网侧滤波器GFR和并网变压器GTF之间，为电控系统提供三相400V交流电源，如图5所示。
图5 配全功率变流器机组的电控系统配电原理
全功率变流器的逆变电路通常采用开关频率在几kHz的PWM控制方式，其交流侧输出PWM电压波形经过网侧滤波器之后虽然并网点的谐波电压限制能够满足国家标准要求，但是受到滤波器体积和成本各方面的限制，大功率变流器的网侧滤波器的截至频率取10倍基波频率和0.5倍开关频率之间[6]，因此机组并网点电压中仍会含有一定比例的与开关频率相关的高次谐波成分，而这些高次谐波会通过控制变压器传递到400V侧，如图6、7所示为现场采集的波形及FFT分析结果(THD=2.59%)。
图6 控制变压器400V侧线电压波形
图7 控制变压器400V侧线电压谐波分析
而随着现代风力发电机组容量增加和技术发展，电控系统中会采用通用变频器驱动部分电动机负载。而通用变频器设计时为了满足电能质量和电磁兼容要求，其电源输入端会采用电感、电容器件组成的滤波电路。
这些滤波电路中的电容通常在几个uF，这时有可能与电控系统的控制变压器的漏感以及配电线路的电缆自感组成在谐振频率在逆变电路开关频率附近的谐振电路，使得高次谐波进一步放大，电控系统的配电电能质量恶化。图8、9为机组大功率情况下机舱冷却系统变频器投入后的波形及FFT分析情况(THD=5.74%)。
图8 带变频器负载时控制变压器400V侧线电压波形
图9 带变频器负载时控制变压器400V侧线电压谐波分析
电控系统的供电电源电能质量不满足国家标准要求，会带来诸多问题，譬如控制系统中的电动机损耗增加、电子设备寿命降低、控制系统受到电磁干扰而可靠性下降等。譬如现场经常出现ABB的400V三相电压检测继电器输入端电路元件失效。
2 改善电能质量的配电方案（略）
根据上述分析可知，产生电控系统400V侧电能质量恶化的因素有二：1）含有与开关频率相关的高次谐波成分；2）交流侧带有电容元件的负载投入，与电控系统配电回路中电感产生开关频率附近的谐振。
其中第一个因素降低非常困难，因此可以考虑采用在控制变压器400V输出侧或者通用变频器电源输入端串联电抗器的方式改变系统谐振频率，但是两种替代方案的缺点均为增加了系统配电的损耗，且往往增加的电抗器体积较大，存在发热问题，安装和实施困难。
通过对风电机组电控系统配电布线特点的分析，提出如图10所示的电能质量优化设计方案。
图10 电控系统配电电能质量优化方案
该方案通过在电控系统的控制变压器的400V侧增加交流滤波电容，与控制变压器的漏感、配电线路的自感组成LCL滤波电路（图11），将滤波电路的谐振频率取在小于逆变电路开关频率fsw，大于10倍电控系统配电电源的基波频率f之间。
图11 电控系统配电电能质量优化方案
当三相滤波电容采用三角形连接时，每个滤波电容的容值为Cf的三分之一；当三相滤波电容采用Y形连接时，每个滤波电容的容值等于Cf。
3 方案实施案例及效果（略）
4 结论
本文通过对配全功率变流器的风电机组网侧拓扑结构以及电控系统配电设计、负载特点等进行分析，找出了400V侧电压高频谐波超标的原因，并给出了一种改善电能质量的滤波方案。该方案巧妙地利用原来配电设计中控制变压器和配电电缆电感参数，给出了滤波电容计算选型方法。
该方案具有如下优点：
1）能有效改善带全功率变流器的风力发电机组电控系统的配电电能质量，使得400V侧的电压波形中谐波电压满足国家标准要求，特别是可以消除高次谐波谐振问题。
2）可以使得电控系统中的电气元件工作在良好的电源条件下，减少由于谐波带来的损耗，延长电气元件的寿命；
3）可以降低电源对电控系统中电子设备的电磁干扰，提高电控系统的可靠性。
4）由于是并联滤波电容方式，几乎不会增加系统配电的功耗，安装以及散热设计简单。
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