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北京天誠同創電氣有限公司的研究人員顧偉峰，在2015年第11期《電氣技術》雜志上撰文，現代大功率風力發電機組中，由于采用PWM控制方式的全功率變流器的應用，機組電控系統的400V交流電壓會含有一定的與變流器網側逆變器開關頻率相關的高次諧波。而随着現代風力發電機組容量增加和技術發展，電控系統中會采用類似通用變頻器之類的電源輸入端帶電容元件的設備，這些電容可能與控制變壓器的漏感以及配電線路的電纜自感組成在諧振頻率在逆變電路開關頻率附近的諧振電路，使得高次諧波進一步放大，電控系統的配電電能質量惡化。

本文提出了一種配電設計方案，能夠有效地濾除電控系統的控制變壓器的400V交流電源中的高次諧波，提高配電電能質量，從而提高電控系統中設備的壽命和可靠性。現場應用數據驗證了該方案的有效性。

随着大功率電力電子器件的發展，由于全功率變流器幾乎能在全風速範圍内追蹤最大風能并具有優異的并網友好性，其在現代大功率風力發電機組中的應用越來越廣泛[1-2]。

在采用全功率變流器的風力發電機組中并網點的拓撲結構基本一緻，即由逆變電路通過網側濾波器與并網變壓器低壓側連接。而全功率變流器的逆變電路通常采用開關頻率在幾KHz的PWM控制方式，其交流側輸出PWM電壓波形經過網側濾波器之後雖然并網點的諧波電壓限制能夠滿足國家标準要求，但是受到濾波器體積和成本各方面的限制，仍會含有一定比例的與開關頻率相關的高次諧波成分。

這些高次諧波通過電控系統的控制變壓器會傳遞到電控系統的400V交流電源側，可能造成電控系統的供電電源電能質量不滿足國家标準要求，從而帶來諸多問題，譬如控制系統中的電機損耗增加、電子設備壽命降低、控制系統受到電磁幹擾而可靠性下降等[3-5]。

本文在分析了産生400V側諧波嚴重超标的原因，并提出了一種電能質量改善方案，給出了設計過程，并在現場測試驗證了方案的可行性。

1 應用全功率變流器的風電機組電控系統配電特點及存在問題

目前應用全功率變流器的風力發電機組電氣原理圖見圖1-4所示。在采用全功率變流器的風力發電機組中并網點的拓撲結構基本一緻，即由逆變電路VSI通過網側濾波器GFR與并網變壓器GTF低壓側連接。

圖1 帶全功率變流器和感應電機的機組

圖2 帶全功率變流器和電勵磁同步電機的機組

圖3 帶全功率變流器和低速永磁同步電機的機組

圖4 帶全功率變流器和低速勵磁同步電機的機組

在配全功率變流器的風電機組中，給電控系統供電的控制變壓器CTF也是連接在網側濾波器GFR和并網變壓器GTF之間，為電控系統提供三相400V交流電源，如圖5所示。

圖5 配全功率變流器機組的電控系統配電原理

全功率變流器的逆變電路通常采用開關頻率在幾kHz的PWM控制方式，其交流側輸出PWM電壓波形經過網側濾波器之後雖然并網點的諧波電壓限制能夠滿足國家标準要求，但是受到濾波器體積和成本各方面的限制，大功率變流器的網側濾波器的截至頻率取10倍基波頻率和0.5倍開關頻率之間[6]，因此機組并網點電壓中仍會含有一定比例的與開關頻率相關的高次諧波成分，而這些高次諧波會通過控制變壓器傳遞到400V側，如圖6、7所示為現場采集的波形及FFT分析結果(THD=2.59%)。

圖6 控制變壓器400V側線電壓波形

圖7 控制變壓器400V側線電壓諧波分析

而随着現代風力發電機組容量增加和技術發展，電控系統中會采用通用變頻器驅動部分電動機負載。而通用變頻器設計時為了滿足電能質量和電磁兼容要求，其電源輸入端會采用電感、電容器件組成的濾波電路。

這些濾波電路中的電容通常在幾個uF，這時有可能與電控系統的控制變壓器的漏感以及配電線路的電纜自感組成在諧振頻率在逆變電路開關頻率附近的諧振電路，使得高次諧波進一步放大，電控系統的配電電能質量惡化。圖8、9為機組大功率情況下機艙冷卻系統變頻器投入後的波形及FFT分析情況(THD=5.74%)。

圖8 帶變頻器負載時控制變壓器400V側線電壓波形

圖9 帶變頻器負載時控制變壓器400V側線電壓諧波分析

電控系統的供電電源電能質量不滿足國家标準要求，會帶來諸多問題，譬如控制系統中的電動機損耗增加、電子設備壽命降低、控制系統受到電磁幹擾而可靠性下降等。譬如現場經常出現ABB的400V三相電壓檢測繼電器輸入端電路元件失效。

2 改善電能質量的配電方案（略）

根據上述分析可知，産生電控系統400V側電能質量惡化的因素有二：1）含有與開關頻率相關的高次諧波成分；2）交流側帶有電容元件的負載投入，與電控系統配電回路中電感産生開關頻率附近的諧振。

其中第一個因素降低非常困難，因此可以考慮采用在控制變壓器400V輸出側或者通用變頻器電源輸入端串聯電抗器的方式改變系統諧振頻率，但是兩種替代方案的缺點均為增加了系統配電的損耗，且往往增加的電抗器體積較大，存在發熱問題，安裝和實施困難。

通過對風電機組電控系統配電布線特點的分析，提出如圖10所示的電能質量優化設計方案。

圖10 電控系統配電電能質量優化方案

該方案通過在電控系統的控制變壓器的400V側增加交流濾波電容，與控制變壓器的漏感、配電線路的自感組成LCL濾波電路（圖11），将濾波電路的諧振頻率取在小于逆變電路開關頻率fsw，大于10倍電控系統配電電源的基波頻率f之間。

圖11 電控系統配電電能質量優化方案

當三相濾波電容采用三角形連接時，每個濾波電容的容值為Cf的三分之一；當三相濾波電容采用Y形連接時，每個濾波電容的容值等于Cf。

3 方案實施案例及效果（略）

4 結論

本文通過對配全功率變流器的風電機組網側拓撲結構以及電控系統配電設計、負載特點等進行分析，找出了400V側電壓高頻諧波超标的原因，并給出了一種改善電能質量的濾波方案。該方案巧妙地利用原來配電設計中控制變壓器和配電電纜電感參數，給出了濾波電容計算選型方法。

該方案具有如下優點：

1）能有效改善帶全功率變流器的風力發電機組電控系統的配電電能質量，使得400V側的電壓波形中諧波電壓滿足國家标準要求，特别是可以消除高次諧波諧振問題。

2）可以使得電控系統中的電氣元件工作在良好的電源條件下，減少由于諧波帶來的損耗，延長電氣元件的壽命；

3）可以降低電源對電控系統中電子設備的電磁幹擾，提高電控系統的可靠性。

4）由于是并聯濾波電容方式，幾乎不會增加系統配電的功耗，安裝以及散熱設計簡單。

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