顾伟峰

（北京天诚同创电气有限公司，北京 100176）

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如图1至图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发电机的机组

图2 带全功率变流器和电励磁同步发电机的机组

图3 带全功率变流器和低速永磁同步发电机的机组

图4 带全功率变流器和低速励磁同步发电机的机组

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、图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μF，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、图 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

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

目前控制变压器采用硅钢片铁心，对于高频谐波只需考虑控制变压器的漏感，因此图11中 LT为变压器的漏感，计算公式如式（1）所示[7]。

式中，LT为变压器的漏感，单位 H；zt为变压器的短路阻抗；UT为变压器低压侧的额定线电压，通常为400V；ST为变压器的额定容量，单位VA；f为变压器的额定工作频率，单位Hz。

图 11中配电线路的自感 Ll：一般可按照每米1～2μH估算，大功率风力发电机组塔底到机舱供电电缆长度一般大于100m，这样Ll等于100～200μH。

这样 LCL滤波电路的谐振频率计算公式如式（2）所示。

式中，Cf为图11所示中电容的容值，F。

根据上述公式，在计算得到LT和情况Ll下，在10×f＜fres＜fsw范围内取一个谐振频率的值，就可以计算得到对应，计算公式如式（3）所示。

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1/3；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

为了验证上述方案的有效性，在出现图8、9所示电控系统400V侧谐波超标的MW级机组进行了实施。

该机组中变压器的容量为110kVA，低压侧电压0.4kV，短路阻抗一般为4%～5%。塔架高度80m，塔底到机舱供电电缆长度约 100m，当在变压器400V输出侧接入一个三角形连接的滤波电容，容量为每相 100μF，这样根据上述计算公式可以计算得到图 11所示滤波电路的谐振频率为 0.96～1.00kHz。

在机组大功率运行，机舱冷却变频器投入运行时的 400V侧电压波形和 FFT情况如图 12、图 13所示（THD=4.7%）。

比较图9和图13可知，在控制变压器400V输出侧增加滤波电容后除了在 1kHz附近有谐波略有放大外，高频谐波明显降低。

图12 采用优化方案后400V侧线电压波形

图13 采用优化方案后400V侧线电压谐波分析

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。

[1] 冯江华. 风电变流器的技术现状与发展[J]. 大功率变流技术, 2013(3): 5-11, 34.

[2] 杨恩星. 低速永磁直驱风力发电变流器若干关键技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2009.

[3] Wakileh GJ. 电力系统谐波——基本原理, 分析方法和滤波器设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[4] 谢易澎. 电力系统谐波及其抑制技术的研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2008.

[5] 翟国富, 刘维扬, 许峰, 等. 电网谐波对断路器动作特性影响的研究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2002,34(2): 187-190.

[6] 张崇巍, 张兴. PWM整流器及其控制[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.

[7] 任元会, 卞铠生, 姚家袆. 工业与民用配电设计手册[M]. 3版. 北京: 中国电力出版社, 2005.