大功率直驱风机并网技术的研究

田　武,许傲然,田明辉,杨　泽,陆晓旭

(沈阳工程学院 研究生部,辽宁 沈阳 110136)



大功率直驱风机并网技术的研究

田武,许傲然,田明辉,杨泽,陆晓旭

(沈阳工程学院 研究生部,辽宁 沈阳 110136)

摘要：直驱型风力发电系统主要由风力机、永磁同步发电机、电力电子变流系统以及控制系统等模块组成。变流器可以使发电机发出的能量更好并网，因此在直驱风力发电系统中占据重要地位。针对变流器主电路的设计进行了研究，首先，分别对机侧滤波器和网侧滤波器进行设计和计算，其次，选择传统的加Y电容的方法来抑制共模电压。最后，利用MATLAB软件并结合傅里叶FFT加以分析，仿真结果中频率2 kHz为谐波存在频率段，此频率段满足风机并网的技术条件，验证了设计方案的可行性。

关键词：永磁直驱风电系统；变流器；滤波器

直驱型风力发电系统原理如图1所示，其主要由风力机、永磁同步发电机、电力电子变流系统以及控制系统等模块组成。其中，风力机直接驱动永磁同步发电机，而永磁同步发电机因其转子极对数较少的特点省去了增速齿轮箱所带来的诸多不良影响。永磁同步发电机的定子侧直接与变流器相连，机侧变流器与网侧变流器实现将发电机发出功率传到直流侧及功率直接并入电网的功能。

图1　直驱型风力发电系统原理

直驱电机侧变流器与永磁同步发电机的定子侧相连，通过对其控制，来实现最大风能的捕获。变流器可以使发电机发出的能量更好并网，因此在直驱风力发电系统中占据重要地位，但更多关于变流器的关键技术还有待研究。对于大功率直驱风电全功率并网变流器，开关器件的额定电流会随着其功率等级的提高而增大[1-2]，大功率IGBT 器件，虽然可以解决上述问题，但成本太高，因而需要对大功率并联技术进行研究。

1并网变流器的设计

1.1电网端LCL电路

在实现并网之前，考虑到三相PWM整流器输出的电压为PWM波，因此必须先进行滤波。过去采用的网侧滤波器一般为L滤波器，这种滤波器不但可以满足矢量(三角形)的控制要求，而且对并网时的谐波电流能起到抑制作用[3-4]。它具有简单、可靠的优点，应用也较广泛。然而由于现在功率等级越来越高，开关器件开关频率逐步下降，就造成在同等质量要求下，电感量会越来越大，这就造成一系列的问题，如：变流器电流调节速度减慢、体积和成本增加，等等。因此，采用LCL滤波器(原理图如图2所示)取代传统的L型滤波器，克服了上述诸多不便，并且对高频信号能起到更好的抑制作用[5]。

图2　电网变流器滤波电路原理

由“矢量三角形”可知：

1)当VSR工作在单位功率因数时

其中,Em为电网中某一相电压的最大值；Um为SVPWM控制变流器端口对应电压最大值；Im为SVPWM控制变流器端口对应电流最大值。利用公式计算得出：L< 649 μH。

2)当VSR后接入电容负载时

Em+(∂L11Im)=Um

计算得出：

L11<210 μH

综上可知，变流器侧的电感值必须不大于10 μH。

图3　LCL滤波单相电路

因为并网线路对称，考虑单相电路(原理图见图3)为例，试验条件为电网电压只存在电压基本电压矢量，此时谐波分量是短路状态。考虑到约束条件：

其中，I(i)为谐波电流的峰值；U(i)为并网变流器端口的第i次谐波电压；CF1为系统设定的滤波作用电容器；ω为基础矢量角频率。

3)并网变流器在单位功率因数条件下时系统特性体现为纯阻性，设定为Zb：

其中，Ebm为电网中某一线电压的最大值；PN为整体风机并网变流器的额定功率。

设定理想状态自感和互感相等,电网侧的体现的阻抗值计算公式为

1.2电机侧滤波器

由于并网变流器距风机较远，在电机定子输入驱动电流时，PWM控制脉冲传输的过程中需要使用长度较长的长线电缆。电缆产生的耦合电容和漏电抗，将在PWM控制脉冲的作用下产生反射电压，即风机输出端口产生高频差模电压，此电压将可以达到正常运行输出电压的两倍，从而破坏电机绝缘性能，同时还会带来增大共模电压的后果。

为了解决上述差模电压问题，提出了减小du/dt值即减小输出端口的电压微分值的方法。其原理为减小输出端口瞬时值将增加PWM控制脉冲在上升段所需的时间，同时将减小风机端口形成的反射电压。设计了RLC滤波电路(上述原理图如图4所示)位系统滤除谐波。

图4　du/dt值并RLC电路原理

参考文献由中所述的电压反射形成的原理及推理过程，设计中当tc

式中，tc为PWM控制脉冲的传输时间；tu为控制脉冲在上升段所需的时间；N为风机反射电压修正系数(需根据电缆特性查表)；vp为信号速度；l为风机与变流器距离。

电机的du/dt值取800V/μs，通过计算可以得到tu=1.375μs，Vmax=2 060V。故线电压的峰值为2 060V，且控制脉冲在上升段所需的时间t>1.368μs，传统直驱风机并网变流器的开关器件开通时间为100ns，很难达到所需要求，通常需设计阻尼阻抗。所提出的设计方案为利用RLC滤波电路中电阻Rm作为阻尼阻抗，来改变开关器件的作用时间。LC谐振周期通常满足下式：

选取阻尼电阻的原则是主要考虑两个方面因素：首先尽可能最大限度选取阻值，这样不仅可以限制RLC滤波电路中电容的脉冲峰值，而且还有较好的抑制反射电压的作用；其次选取阻尼电阻过大时，系统会以阻尼电阻的存在而影响du/dt的抑制效果，选取阻尼电阻公式如下：

1.3共模抑制电路

直驱风机并网系统中，变流器输送的高频控制脉冲会在风机中产生共模电压。高频共模电压有的存在于电机定子中点，利用定子转子间的气隙电容产生轴电压，即风机主轴上的感应电压。轴电压引起的轴电流会破坏风机主轴的结构，缩短风机寿命。同时轴电流的存在所引起的电磁干扰将影响互感器的测量效果，对控制策略选取造成误导。根据参考文献，传统消除共模电压设计思路为：SVPWM调制下的电机共模电压的基波分量比SPWM调制下的小，而SPWM调制下的电机的共模电压的谐波含量比SVPWM调制下的小。相比较来说，SPWM调制下的共模电压的有效值比较小。从电机的结构上：利用电机的结构抑制共模电压主要是通过增加电机的绕组数消除共模电压。

所设计消除共模电压的方法是在电机侧加Y型接线电容器达到抑制共模电压的目的，同时充分考虑Y型接线电容器所带来的漏电流。经过仿真设计得出结论为每相支路电容值不超过8μF为安全设定值。

2仿真试验及结论

为了验证所提出的设计理论的正确性，利用傅里叶FFT分析方法并结合MATLAB软件针对该创新性设计展开了仿真试验，仿真结果选取为电网输入端口某相电流的谐波分析及频段图，结果波形如图5、6所示。

图5　网侧电流谐波分析

从图6的仿真结果可以得出是2kHz谐波存在频段，经过计算得到THD=3.92%符合风力发电系统并网的技术指标。

图6　电网输入端口谐波频段

主要对直驱风力发电机并网变流器的主电路进行了创新性的设计，使用LCL滤波方式替换传统并网系统中的单电感滤波方式，再利用MATLAB进行仿真同时采用了傅里叶FFT加以分析，证明了该设计克服了传统滤波器带来的不便，在消除共模电压过程中采用传统加Y电容方法，节约了成本，因此，该设计具有一定的可行性和可应用性。

[1]Garcia,AM,HolmesDG,Lipo,TA.Reductionofbearingcurrentsindoublyfedinductiongenerators[J].IEEEindustryapplicationsconference,2006,1:84-89.

[2]张柳.基于转子初始位置检测的无传感器控制技术[J].电力电子技术,2013,47(12):84-87.

[3]许傲然.Crowbar电路在低电压穿越技术中的研究[J].沈阳工程学院学报：自然科学版,2014,10(1):35-38.

[4]Von Jouanne,A,Haoran Zhang.A dual-bridge inverter spproach to eliminating common-mode voltages and bearing and leakage currents[J].IEEE Trans.on power elec.,1997,14(1):43-48.

[5]DeAzevedo C C,Riveiro R L A,Jacobina C B,et al.Eliminating the common-mode voltage in ac drive systems using a four-phase machine[C]//Industry applications conference.USA:2001.

(责任编辑佟金锴校对张凯)

Research of the grid technology for high power Direct-driven wind Turbine

TIAN Wu,XU Ao-ran,TIAN Ming-hui,YANG Zhe,LU Xiao-xu

(Graduate Department,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136，Liaoning Province)

Abstract：Direct-driven wind power generation system consists of the wind turbine,permanent magnet synchronous generator,power electronic systems and control systems.As an important module in the direct-drive wind power system,the inverter can make the synchronization better.In this paper,the main circuit for the inverter is designed.Firstly,the filters on the machine side and network-side are designed and calculated respectively,and then the traditional method plus Y capacitors is chosen to suppress common mode voltage.Finally,MATLAB software combined with FFT Fourier method is used to analyze the control mode.The simulation results show that the harmonic frequency band is 2k Hz which meets the conditions for fans grid technologies,so verify the feasibility of the design.

Key words：Direct-driven wind turbine system;Inverter;Filter

通讯作者：刘莉(1963-)，女，辽宁沈阳人，教授，硕士生导师，主要从事电力系统分析与控制、配电自动化等方面的研究。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.016 10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.015

作者简介：孟祥斌(1978-)，男，黑龙江大庆人，讲师，硕士。 吴桐(1991-)，男，辽宁本溪人。

基金项目：辽宁省自然科学基金资助项目(201102160);中央高校基本科研业务费专项资金资助(HIT.NSRIF.2014039)

收稿日期：2014-06-18 2014-06-24

中图分类号：TM315

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)01-0063-03