雙饋風(fēng)力機(jī)變流器的網(wǎng)側(cè)lcl濾波器設(shè)計(jì)

雙饋風(fēng)力機(jī)變流器的網(wǎng)側(cè)lcl濾波器設(shè)計(jì)

1在一些文獻(xiàn)中的應(yīng)用與傳統(tǒng)的l型濾波器相比，lcl濾波具有相同的電阻值，并且適合于大規(guī)模和低開關(guān)頻率的并發(fā)癥濾波設(shè)備。因此，lcl濾波的設(shè)計(jì)方法已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。雖然LCL濾波器濾除高次諧波效果更加顯著,但LCL濾波器的設(shè)計(jì)比較困難。文獻(xiàn)提出利用諧振頻率作為中間參數(shù),推導(dǎo)出關(guān)于電流諧波的衰減比例為變量的二次方程,通過對(duì)方程的求解,可以很方便地求出濾波器的其他參數(shù)。文獻(xiàn)提出按照紋波要求設(shè)計(jì)變換器側(cè)電感,但并沒有詳細(xì)地闡明電網(wǎng)側(cè)濾波電感與濾波電容如何獨(dú)立設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)中對(duì)LCL濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)步驟以及限制條件做了詳細(xì)的介紹,在實(shí)際的工程應(yīng)用時(shí)很不方便。同時(shí)以上文獻(xiàn)并未涉及中間直流電容、中間斬波電路的設(shè)計(jì),特別在電網(wǎng)故障條件下,如果不考慮中間直流電容、中間斬波電路將會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)變流器不能夠向電網(wǎng)輸送無功支持。此處首先分析LCL濾波器濾波原理,然后考慮中間直流電容、中間斬波電路因素的必要。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)LCL濾波器的總電感值,然后根據(jù)濾波電容與電網(wǎng)側(cè)電感對(duì)高頻諧波分流能力選取合適的濾波電容值,最后通過LCL濾波器兩個(gè)濾波電感值的比例與諧波電流幅值的關(guān)系確定每個(gè)電感值的大小。該方法設(shè)計(jì)原理清晰,可方便設(shè)計(jì)LCL濾波器的電感值,在充分考慮諧振頻率、電感總的阻抗壓降以及系統(tǒng)電流閉環(huán)控制器帶寬等限制條件情況下,最終確定合適的濾波器參數(shù)?？紤]雙饋風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的特殊性,即由于雙饋發(fā)電機(jī)的定子直接與電網(wǎng)連接、轉(zhuǎn)子與變流器相連,當(dāng)電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落時(shí),在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出很高的過電壓通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器開關(guān)管IGBT的反并聯(lián)二極管抬高直流母線電壓,如果不及時(shí)通過中間電壓斬波電阻消耗一部分能量,一定會(huì)將開關(guān)管IGBT擊穿以及會(huì)觸發(fā)網(wǎng)側(cè)變流器中間母線電壓故障,以致不能在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落期間向電網(wǎng)輸送無功功率。2成三階lcl濾波器并網(wǎng)變流器的主電路如圖1所示,其中C1為直流母線支撐電容。L1,C2,L2組成三階LCL濾波器,其主要功能是對(duì)變換器輸出電流紋波起衰減作用,提高并網(wǎng)變流器向電網(wǎng)輸送的電能質(zhì)量。開關(guān)管IGBT、斬波電阻RDB組成斬波電路,主要防止中間直流母線電壓Udc過大而燒壞IGBT,保護(hù)變流器,特別在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)。3cdcsn/21dc這里采用基于紋波系數(shù)的方法計(jì)算中間直流電容Cdc,其表達(dá)式如下:①考慮高頻諧波情況下,Cdc≥Sn/(2fswUdc△Udc),Sn為變流器容量,fsw為網(wǎng)側(cè)濾波電感的截止頻率,△Udc為最大允許的紋波值;②考慮不對(duì)稱故障時(shí)平衡負(fù)序無功率情況下,Cdc≥Sn/(2ω1Udc△Udc),ω1為電網(wǎng)角速度;③考慮調(diào)制頻率的情況下,,In為變流器額定輸出電流,f1為電網(wǎng)基頻。上述3種方法未考慮當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),在Cdc上產(chǎn)生的過電壓,其值取決于電網(wǎng)電壓跌落深度:式中:△PCdc為變流器在故障期間向電網(wǎng)輸送最大功率Pgmax和雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的功率Pfault的差值;△t為電網(wǎng)電壓跌落時(shí)間。4濾波器電壓的選擇考慮工程實(shí)際意義,在盡量節(jié)約變流器成本前提下,對(duì)LCL進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),同時(shí)確保諧振頻率不能太小,以免造成電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)的困難。這里采用LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)限制條件如下:①總電感值:總電感L1+L2不大于網(wǎng)側(cè)變流器輸入阻抗的10%,其輸入阻抗Lin=ug/(Inω1),其中ug為輸入電網(wǎng)相電壓,要求濾波電感上的電壓降小于正常電網(wǎng)電壓的10%。同時(shí)考慮L1的低諧振頻率和小電流紋波的比例,一般取L1=2L2。②為了避免LCL濾波器諧振峰值出現(xiàn)在低頻或高頻段,其諧振頻率應(yīng)該大于電網(wǎng)頻率的10倍,小于開關(guān)頻率的1/2,即10f1<fz<fsw/2。③為了使高頻分量盡可能從電容支路流過,設(shè)計(jì)時(shí)保證XC2塏XL2,其中XC2,XL2分別為開關(guān)頻率下的阻抗值,一般情況下取:XC2取值太大,開關(guān)頻率紋波高頻分量從電容支路分流不夠,更多的高頻諧波電流進(jìn)入電網(wǎng);XC2取值太小,會(huì)導(dǎo)致更多的無功電流流入濾波電容,進(jìn)而使變流器輸出電流增大影響系統(tǒng)的損耗。同時(shí),為避免變流器的功率因數(shù)的過度降低,通常C2為變流器輸入基波阻抗的5%,C2=In/(ω1ug)。5udcc-ucd的工作原理當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),中間直流母線電壓大于正常工作給定值U*dc,根據(jù)電容儲(chǔ)存能量公式可以得到電容上儲(chǔ)存的能量ε=C(U2dc-Udc*2)/2,其中C,Udc*可以根據(jù)變流器設(shè)計(jì)要求得到,Udc為中間電壓斬波電路啟動(dòng)電壓。中間電壓斬波電路的放電電阻能夠承受最低能量為:由上式可得:中間電壓斬波電路的放電電阻值RDB一般取15%~20%的余量,其軟件流程圖如圖2所示。6電流特性分析為了驗(yàn)證以上理論分析,搭建三相并網(wǎng)變流器實(shí)驗(yàn)臺(tái),額定有功功率P=900kW,fsw=3.3kHz,電網(wǎng)線電壓有效值Ugl=690V,Udc=1150V,ω1=2π×50rad·s-1,并網(wǎng)變流器額定輸出電流。根據(jù)分析選L1=0.2mH,L2=0.1mH,C2=333μF,C1=4500μF,RDB=22Ω/2kW。圖3示出基于傳統(tǒng)L型濾波器及基于LCL型濾波器并網(wǎng)變流器三相輸出電流波形。在圖3b中,并網(wǎng)變流器輸出電流的高次諧波被很好地抑制。由圖3a可知,高次諧波含量比圖3b中高次諧波含量要多一些。在電網(wǎng)電壓?jiǎn)蜗嘞嚯妷旱渲?0%時(shí),圖4示出無中間電壓斬波和有中間電壓斬波的并網(wǎng)變流器中間直流電壓Udc,電網(wǎng)線電壓ugl以及Crowbar電流Icr波形。由圖4a可知,在無中間電壓斬波時(shí),當(dāng)電網(wǎng)跌落時(shí),由于轉(zhuǎn)子電流過大引起中間過壓,觸發(fā)了Crowbar保護(hù)電路,從而使網(wǎng)、機(jī)變流器處于故障狀態(tài),在電網(wǎng)跌落狀態(tài)時(shí),網(wǎng)側(cè)變流器不能向電網(wǎng)傳送無功功率。由圖4b可知,當(dāng)電網(wǎng)跌落時(shí),轉(zhuǎn)子電流過大也引起中間過壓,由于中間電壓斬波能將中間電壓拉低,從而使網(wǎng)、機(jī)變流