考虑风电机组气动载荷特性的风电并网技术研究

国网安徽省电力公司 李 淼 吴德花 王丽萍 宋祥春 魏 霞 鲁 伟

考虑风电机组气动载荷特性的风电并网技术研究

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随着单台风机容量的逐渐增大，风机风轮受风不均匀特性和叶片不平衡特性（即风机的载荷特性）对于风机自身结构及并网电能质量的影响越来越严重。本文在风机整体模型基础上，建立了风电机组启动载荷模型，针对载荷特性的影响进行了深入研究分析，了解到传统的电压电流双闭环并不能得到良好的效果，所以在此基础上加入了输入功率前馈环节,经过对1．5Mw风电机组的试验检测,证明了具有输入功率前馈环节的改进双闭环控制有效的抑制输出功率中由气动载荷带来的波动，避免了在特定频率的并网谐振，提高风电并网的电能质量。

风电机组；气动载荷；塔影效应；并网控制策略

1.引言

观察图1可以发现，在直驱同步风力发电系统中，永磁同步发电机与叶片直接连接，可以不用齿轮箱来增加速度是由于永磁同步发电机的转子极对数比较多，变流器与永磁同步发电机的定子侧直接相连，变流器将发电机发电量进行整流，然后通过电网端变流器进行调压，调相，逆变后，并入电网通过对永磁同步发电机和直驱电机侧变流器进行控制，来捕获最大风能。

2.直驱风电并网变流器主电路的设计

根据直接驱动风力发电转换器技术的条件，设计的元件主要有电机侧滤波器，网侧滤波器，电源转换器，共模抑制电路，而且放置开关器件预充电过量，辅助设计了制动单元。

2.1 并网端滤波电路

在风电并网系统中，变流器整流后的波形都是PWM 波，由于开关器件的导通关断等控制，电量中存在着大量的谐波，因此需要在系统中设计相关滤波器。传统并网系统滤波器为L滤波器，该电路相对简单，同时具有运行可靠性。随着风电并网功率逐步提升，开关器件控制精度提高，开关频率的降低，系统中出现更多的谐波，传统滤波器的设计面对此情况需要不断加大电感，带来设备体积增大，电流调节减慢等问题，本文设计了LCL滤波器，该电路设计有效的减小了电感，并有效滤除了高频信号。

如图1所示为本文所设计LCL滤波器，其中L1是变流器端电感，CF为滤波电容，L2为变压器端漏感。

图1 网侧变流器L C L结构图

当系统功率因数为单位功率因数时，由并网系统矢量关系可以得出：

公式中Um为输出电压最大值，EM是电网电压最大值，Im为交流流输出的最大值。经过计算可以得出：L11 ＜ 652uH

当并网系统工作在无功输出状态中时，由式

经过计算有： L11 ＜ 210uH

图2 L C L滤波单相电路图

如图2所示，并网系统工作时，电网电量设定为理想状态，没有谐波，系统正常工作L11 还要满足以下条件，

其中ω为基波角频率，U(n)为n次谐波电压，I(n)为谐波电流的最大值。

在滤波电容的设计中，该值因系统传感器位置不同而选取方法不同，本文设计中电流传感器为电网端变流器电流，电压传感器为滤波电容电压，系统单位功率状态运行时变流器等效阻抗为：

其中，P为额定功率，E为电网电压峰值。

系统并网工作时X21=ωL21，X11=ωL11,Xc=1/ωCF1,可得：

系统并网稳定运行条件为X21Xc2 +X21Xb2-XcXb2=0，因此经过计算可得滤波电容值。LCL滤波器通常利用变压器的漏感当做L21，因此不再重复设计。

通过仿真软件，针对以上理论进行仿真，如图3所示，谐波主要分布在开关频率fs1=2.1kHz 周围，THD=3.92%，仿真结果表明谐波满足并网的要求。

图3 网侧电流谐波分析图

2.2 电机侧d u/d t 滤波器

风电并网系统中，变流器和发电机的位置不同，其中变流器位于塔底，而发电机置于在塔顶，因此要想把PWM驱动脉冲传输到发电机接线端，需要有较长的电缆线来辅助变流器发电机定子。长线电缆的漏感和耦合电容，在变流器输出的高频PWM波作用下，形成电压反射高频差模du/dt，造成高压破环电机绝缘。

为解决长电缆和高频波带来的问题，本文设计了RLC电路对变流器高频信号进行滤波，如图4所示。

图4 d u/d t滤波电路

电压反射原理要求当tt＜ tr / 3时，电压峰值为：

其中v为脉冲速度；l为电缆长度；tt为输出脉冲到整流变流器时间；tr为脉冲上升时间；N2为电机反射系数。在本文所设计并应用实验平台中，du/dt为800V/us，计算得出线电压峰值2060V。输出脉冲的上升时间大于1.375us，但系统开关器件开断时间为100ns，超过要求系统有电压反射的危险。因此本文设计了RLC电路对变流器高频信号进行滤波，R起阻尼作用。LC谐振周期计算如下：

为了抑制谐振产生的过电压，同时限制电容的电流脉冲峰值，考虑到设置阻尼电阻，研究发现阻尼电阻的阻值选取不能过大也不能过小，所以通常要将其限制在临界电阻附近较好

2.3 共模抑制电路

在风电并网系统中，系统输出电压主要分为三个部分，其中包括正序分量，零序分量和负序分量。电机端整流变流器输出高频电压在定转子之间的气隙电容的作用下，电机定子中点的高频共模电压将，该电压将在电机上感应轴电压和轴电流，在电机电磁场中产生较大电动力，破坏电机结构。为解决以上问题，本文在传统抑制电路中加入Y电容抑制共模电压。经仿真实验和实物平台实验Y电容选取值为8uF。

3.互馈实验

为验证本文所提出的相关理论和电路，利用实验平台进行了互馈功率实验，为验证电机性能及系统状态，利用变流器能量回馈实验验证系统工作稳定性及并网效率。系统试验拓扑结构如图5所示，利用变压器T1升压380V升至10KV，进而通过降压变压器T2、T3分别将10KV交流电变为690v。T3出线通过断路器S2接到机侧变流器，而T2出线经过断路器S1与变流器相连。

图5 变流器回馈实验平台拓扑构

图6 1 MW 下网侧电压电流波形图

图7 1 MW 下机侧电压电流波形图

本文所采用背靠背功率实验分为三步，第一步是从电网吸收功率输入到风电机组整流后直流端，第二步变流器进行逆变注入功率，第三步将利用变流器逆变将电量并网。与此同时，变压器没办法做到满功率，因为实验台变压器功率受到限制，同时如图7所示我们给出了在1MW情况下变压器工作波形，正方向为并网变流器电流方向。如图6所示，中间直流电压平稳，电压值为1100v,电流波形完整，有效值为857A，电流超前电压90°，满足风电并网要求。

图8 机侧交流电压波形图

观察图7中的PWM脉冲波形可以看出风电机组侧电流波形状况良好，同时相间电压Ubc滞后A相电流Ia 90°，能够实现将风电机组发电正常的整流工作。图8为电机端变流器输出PWM波形的上升沿。

4.结语

在1.5Mw风电机组的试验检测,证明了具有输入功率前馈环节的改进双闭环控制有效的抑制输出功率中由气动载荷带来的高次谐波的扰动，避免了在特定频率的并网谐振，提高风电并网的电能质量。同时永磁直取风机具有良好可靠性，在发电系统中的应用前景会越来越好。

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