考慮風電機組氣動載荷特性的風電并網技術研究

國網安徽省電力公司 李 淼 吳德花 王麗萍 宋祥春 魏 霞 魯 偉

考慮風電機組氣動載荷特性的風電并網技術研究

國網安徽省電力公司 李 淼 吳德花 王麗萍 宋祥春 魏 霞 魯 偉

隨著單臺風機容量的逐漸增大，風機風輪受風不均勻特性和葉片不平衡特性（即風機的載荷特性）對于風機自身結構及并網電能質量的影響越來越嚴重。本文在風機整體模型基礎上，建立了風電機組啟動載荷模型，針對載荷特性的影響進行了深入研究分析，了解到傳統的電壓電流雙閉環并不能得到良好的效果，所以在此基礎上加入了輸入功率前饋環節,經過對1．5Mw風電機組的試驗檢測,證明了具有輸入功率前饋環節的改進雙閉環控制有效的抑制輸出功率中由氣動載荷帶來的波動，避免了在特定頻率的并網諧振，提高風電并網的電能質量。

風電機組；氣動載荷；塔影效應；并網控制策略

1.引言

觀察圖1可以發現，在直驅同步風力發電系統中，永磁同步發電機與葉片直接連接，可以不用齒輪箱來增加速度是由于永磁同步發電機的轉子極對數比較多，變流器與永磁同步發電機的定子側直接相連，變流器將發電機發電量進行整流，然后通過電網端變流器進行調壓，調相，逆變后，并入電網通過對永磁同步發電機和直驅電機側變流器進行控制，來捕獲最大風能。

2.直驅風電并網變流器主電路的設計

根據直接驅動風力發電轉換器技術的條件，設計的元件主要有電機側濾波器，網側濾波器，電源轉換器，共模抑制電路，而且放置開關器件預充電過量，輔助設計了制動單元。

2.1 并網端濾波電路

在風電并網系統中，變流器整流后的波形都是PWM 波，由于開關器件的導通關斷等控制，電量中存在著大量的諧波，因此需要在系統中設計相關濾波器。傳統并網系統濾波器為L濾波器，該電路相對簡單，同時具有運行可靠性。隨著風電并網功率逐步提升，開關器件控制精度提高，開關頻率的降低，系統中出現更多的諧波，傳統濾波器的設計面對此情況需要不斷加大電感，帶來設備體積增大，電流調節減慢等問題，本文設計了LCL濾波器，該電路設計有效的減小了電感，并有效濾除了高頻信號。

如圖1所示為本文所設計LCL濾波器，其中L1是變流器端電感，CF為濾波電容，L2為變壓器端漏感。

圖1 網側變流器L C L結構圖

當系統功率因數為單位功率因數時，由并網系統矢量關系可以得出：

公式中Um為輸出電壓最大值，EM是電網電壓最大值，Im為交流流輸出的最大值。經過計算可以得出：L11 ＜ 652uH

當并網系統工作在無功輸出狀態中時，由式

經過計算有： L11 ＜ 210uH

圖2 L C L濾波單相電路圖

如圖2所示，并網系統工作時，電網電量設定為理想狀態，沒有諧波，系統正常工作L11 還要滿足以下條件，

其中ω為基波角頻率，U(n)為n次諧波電壓，I(n)為諧波電流的最大值。

在濾波電容的設計中，該值因系統傳感器位置不同而選取方法不同，本文設計中電流傳感器為電網端變流器電流，電壓傳感器為濾波電容電壓，系統單位功率狀態運行時變流器等效阻抗為：

其中，P為額定功率，E為電網電壓峰值。

系統并網工作時X21=ωL21，X11=ωL11,Xc=1/ωCF1,可得：

系統并網穩定運行條件為X21Xc2 +X21Xb2-XcXb2=0，因此經過計算可得濾波電容值。LCL濾波器通常利用變壓器的漏感當做L21，因此不再重復設計。

通過仿真軟件，針對以上理論進行仿真，如圖3所示，諧波主要分布在開關頻率fs1=2.1kHz 周圍，THD=3.92%，仿真結果表明諧波滿足并網的要求。

圖3 網側電流諧波分析圖

2.2 電機側d u/d t 濾波器

風電并網系統中，變流器和發電機的位置不同，其中變流器位于塔底，而發電機置于在塔頂，因此要想把PWM驅動脈沖傳輸到發電機接線端，需要有較長的電纜線來輔助變流器發電機定子。長線電纜的漏感和耦合電容，在變流器輸出的高頻PWM波作用下，形成電壓反射高頻差模du/dt，造成高壓破環電機絕緣。

為解決長電纜和高頻波帶來的問題，本文設計了RLC電路對變流器高頻信號進行濾波，如圖4所示。

圖4 d u/d t濾波電路

電壓反射原理要求當tt＜ tr / 3時，電壓峰值為：

其中v為脈沖速度；l為電纜長度；tt為輸出脈沖到整流變流器時間；tr為脈沖上升時間；N2為電機反射系數。在本文所設計并應用實驗平臺中，du/dt為800V/us，計算得出線電壓峰值2060V。輸出脈沖的上升時間大于1.375us，但系統開關器件開斷時間為100ns，超過要求系統有電壓反射的危險。因此本文設計了RLC電路對變流器高頻信號進行濾波，R起阻尼作用。LC諧振周期計算如下：

為了抑制諧振產生的過電壓，同時限制電容的電流脈沖峰值，考慮到設置阻尼電阻，研究發現阻尼電阻的阻值選取不能過大也不能過小，所以通常要將其限制在臨界電阻附近較好

2.3 共模抑制電路

在風電并網系統中，系統輸出電壓主要分為三個部分，其中包括正序分量，零序分量和負序分量。電機端整流變流器輸出高頻電壓在定轉子之間的氣隙電容的作用下，電機定子中點的高頻共模電壓將，該電壓將在電機上感應軸電壓和軸電流，在電機電磁場中產生較大電動力，破壞電機結構。為解決以上問題，本文在傳統抑制電路中加入Y電容抑制共模電壓。經仿真實驗和實物平臺實驗Y電容選取值為8uF。

3.互饋實驗

為驗證本文所提出的相關理論和電路，利用實驗平臺進行了互饋功率實驗，為驗證電機性能及系統狀態，利用變流器能量回饋實驗驗證系統工作穩定性及并網效率。系統試驗拓撲結構如圖5所示，利用變壓器T1升壓380V升至10KV，進而通過降壓變壓器T2、T3分別將10KV交流電變為690v。T3出線通過斷路器S2接到機側變流器，而T2出線經過斷路器S1與變流器相連。

圖5 變流器回饋實驗平臺拓撲構

圖6 1 MW 下網側電壓電流波形圖

圖7 1 MW 下機側電壓電流波形圖

本文所采用背靠背功率實驗分為三步，第一步是從電網吸收功率輸入到風電機組整流后直流端，第二步變流器進行逆變注入功率，第三步將利用變流器逆變將電量并網。與此同時，變壓器沒辦法做到滿功率，因為實驗臺變壓器功率受到限制，同時如圖7所示我們給出了在1MW情況下變壓器工作波形，正方向為并網變流器電流方向。如圖6所示，中間直流電壓平穩，電壓值為1100v,電流波形完整，有效值為857A，電流超前電壓90°，滿足風電并網要求。

圖8 機側交流電壓波形圖

觀察圖7中的PWM脈沖波形可以看出風電機組側電流波形狀況良好，同時相間電壓Ubc滯后A相電流Ia 90°，能夠實現將風電機組發電正常的整流工作。圖8為電機端變流器輸出PWM波形的上升沿。

4.結語

在1.5Mw風電機組的試驗檢測,證明了具有輸入功率前饋環節的改進雙閉環控制有效的抑制輸出功率中由氣動載荷帶來的高次諧波的擾動，避免了在特定頻率的并網諧振，提高風電并網的電能質量。同時永磁直取風機具有良好可靠性，在發電系統中的應用前景會越來越好。

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