双馈风力机变流器的网侧lcl滤波器设计

双馈风力机变流器的网侧lcl滤波器设计

1在一些文献中的应用与传统的l型滤波器相比，lcl滤波具有相同的电阻值，并且适合于大规模和低开关频率的并发症滤波设备。因此，lcl滤波的设计方法已成为当前的研究热点。虽然LCL滤波器滤除高次谐波效果更加显著,但LCL滤波器的设计比较困难。文献提出利用谐振频率作为中间参数,推导出关于电流谐波的衰减比例为变量的二次方程,通过对方程的求解,可以很方便地求出滤波器的其他参数。文献提出按照纹波要求设计变换器侧电感,但并没有详细地阐明电网侧滤波电感与滤波电容如何独立设计。文献中对LCL滤波器参数的设计步骤以及限制条件做了详细的介绍,在实际的工程应用时很不方便。同时以上文献并未涉及中间直流电容、中间斩波电路的设计,特别在电网故障条件下,如果不考虑中间直流电容、中间斩波电路将会导致并网变流器不能够向电网输送无功支持。此处首先分析LCL滤波器滤波原理,然后考虑中间直流电容、中间斩波电路因素的必要。在此基础上设计LCL滤波器的总电感值,然后根据滤波电容与电网侧电感对高频谐波分流能力选取合适的滤波电容值,最后通过LCL滤波器两个滤波电感值的比例与谐波电流幅值的关系确定每个电感值的大小。该方法设计原理清晰,可方便设计LCL滤波器的电感值,在充分考虑谐振频率、电感总的阻抗压降以及系统电流闭环控制器带宽等限制条件情况下,最终确定合适的滤波器参数。考虑双馈风力机发电系统的特殊性,即由于双馈发电机的定子直接与电网连接、转子与变流器相连,当电网电压严重跌落时,在转子上感应出很高的过电压通过转子侧变流器开关管IGBT的反并联二极管抬高直流母线电压,如果不及时通过中间电压斩波电阻消耗一部分能量,一定会将开关管IGBT击穿以及会触发网侧变流器中间母线电压故障,以致不能在电网电压严重跌落期间向电网输送无功功率。2成三阶lcl滤波器并网变流器的主电路如图1所示,其中C1为直流母线支撑电容。L1,C2,L2组成三阶LCL滤波器,其主要功能是对变换器输出电流纹波起衰减作用,提高并网变流器向电网输送的电能质量。开关管IGBT、斩波电阻RDB组成斩波电路,主要防止中间直流母线电压Udc过大而烧坏IGBT,保护变流器,特别在电网发生不对称故障时。3cdcsn/21dc这里采用基于纹波系数的方法计算中间直流电容Cdc,其表达式如下:①考虑高频谐波情况下,Cdc≥Sn/(2fswUdc△Udc),Sn为变流器容量,fsw为网侧滤波电感的截止频率,△Udc为最大允许的纹波值;②考虑不对称故障时平衡负序无功率情况下,Cdc≥Sn/(2ω1Udc△Udc),ω1为电网角速度;③考虑调制频率的情况下,,In为变流器额定输出电流,f1为电网基频。上述3种方法未考虑当电网电压跌落时,在Cdc上产生的过电压,其值取决于电网电压跌落深度:式中:△PCdc为变流器在故障期间向电网输送最大功率Pgmax和双馈发电机转子绕组产生的功率Pfault的差值;△t为电网电压跌落时间。4滤波器电压的选择考虑工程实际意义,在尽量节约变流器成本前提下,对LCL进行参数设计,同时确保谐振频率不能太小,以免造成电流环控制器设计的困难。这里采用LCL滤波器参数设计限制条件如下:①总电感值:总电感L1+L2不大于网侧变流器输入阻抗的10%,其输入阻抗Lin=ug/(Inω1),其中ug为输入电网相电压,要求滤波电感上的电压降小于正常电网电压的10%。同时考虑L1的低谐振频率和小电流纹波的比例,一般取L1=2L2。②为了避免LCL滤波器谐振峰值出现在低频或高频段,其谐振频率应该大于电网频率的10倍,小于开关频率的1/2,即10f1<fz<fsw/2。③为了使高频分量尽可能从电容支路流过,设计时保证XC2垲XL2,其中XC2,XL2分别为开关频率下的阻抗值,一般情况下取:XC2取值太大,开关频率纹波高频分量从电容支路分流不够,更多的高频谐波电流进入电网;XC2取值太小,会导致更多的无功电流流入滤波电容,进而使变流器输出电流增大影响系统的损耗。同时,为避免变流器的功率因数的过度降低,通常C2为变流器输入基波阻抗的5%,C2=In/(ω1ug)。5udcc-ucd的工作原理当电网电压跌落时,中间直流母线电压大于正常工作给定值U*dc,根据电容储存能量公式可以得到电容上储存的能量ε=C(U2dc-Udc*2)/2,其中C,Udc*可以根据变流器设计要求得到,Udc为中间电压斩波电路启动电压。中间电压斩波电路的放电电阻能够承受最低能量为:由上式可得:中间电压斩波电路的放电电阻值RDB一般取15%~20%的余量,其软件流程图如图2所示。6电流特性分析为了验证以上理论分析,搭建三相并网变流器实验台,额定有功功率P=900kW,fsw=3.3kHz,电网线电压有效值Ugl=690V,Udc=1150V,ω1=2π×50rad·s-1,并网变流器额定输出电流。根据分析选L1=0.2mH,L2=0.1mH,C2=333μF,C1=4500μF,RDB=22Ω/2kW。图3示出基于传统L型滤波器及基于LCL型滤波器并网变流器三相输出电流波形。在图3b中,并网变流器输出电流的高次谐波被很好地抑制。由图3a可知,高次谐波含量比图3b中高次谐波含量要多一些。在电网电压单相相电压跌落至60%时,图4示出无中间电压斩波和有中间电压斩波的并网变流器中间直流电压Udc,电网线电压ugl以及Crowbar电流Icr波形。由图4a可知,在无中间电压斩波时,当电网跌落时,由于转子电流过大引起中间过压,触发了Crowbar保护电路,从而使网、机变流器处于故障状态,在电网跌落状态时,网侧变流器不能向电网传送无功功率。由图4b可知,当电网跌落时,转子电流过大也引起中间过压,由于中间电压斩波能将中间电压拉低,从而使网、机变流