产品选用．产品介绍．ＭＷ级风电系统整流侧ＬＣＬ型滤波器分析与设计 上 堂 ： ＭＷ级风电系统整流侧ＬＣＬ型滤波器分析与设计 纪子清马成斌李春 上海输配电股份有限公司技术中心 摘要： 提出了一种ＬＣＬ型滤波器的设计方法，利用电流的纹波，求出滤波器的总电感值。由于滤波电容将 电感分为电网侧和变换器侧两部分，首先利用电容吸收的无功功率得到滤波电容器的值；然后以谐振频率作为中 间变量，得出关于电感比例的二次方程，通过方程的求解，得出滤波器的电感参数。通过对１．５ＭＷ风电系统样例 滤波器的设计过程进行的详细介绍、参数计算和系统仿真，结果证明了文中提出的设计方法是可行的。 关键词：ＰＷＭ整流器ＬＣＬ滤波器谐振频率谐波畸变率 Ａｎａｌｙｓｅ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｇ ｒｉｄ・—－ｓｉｄｅ ＬＣＬ Ｆｉｌｔｅｒ ｏｆ ＭＷ Ｇｒａｄｅ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒ ＬＣＬ ｔｙｐｅ ｆｉｈｅｒ ｔｏ ａｔｔｅｎｕａｔｅ ｈｉｇｈ ｏｒｄｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｏｆ ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｉｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈｅｒ ｐｏｗｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ＬＣＬ ｆｉｌｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｍａｎｙ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＬＣＬ ｆｉｌｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｔａｓｋ ｖｅｒｙｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ．Ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｔｅｒ— ．ｍｉｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｉｐｐｌｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ．Ｔｏｔａｌ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｐａｒｔｓ ｗｉｔｈ ｆｉｌｔｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ．Ｆｉｌｔｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ａ ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｎ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｗｏ ｉｎｄｕｃｔ— ａｎｃｅｓ ｉｓ ｄｅｄｕｃｅｄ ｗｉｔｈ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｓ ａ ｍｉｄｄｌｅ ｖａｒｉａｂｌｅ．Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｗｏ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｇｏｔｔｅｎ ｗｉｔｈ ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ．Ａ ｓｔｅｐ—ｂｙ—ｓｔｅｐ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｓ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｂｙ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎ ｉｎ １．５ＭＷ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ＬＣＬ ｆｉｌｔｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｏｔａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ０前言 频器虽然可实现较高的功率因素，但由于至今尚无 商业化的双向可控器件，且控制方法也不成熟，故目 在风力发电领域采用ＭＷ级的双馈异步发电 前难以进入实用化阶段。采用双ＰＷＭ交一直一交 机正成为研究的热点之一 】Ｊ。与通常发电机不同 变频方式，是目前一种较理想的选择方式。当前的 的是：双馈异步发电机的转子侧接有一能量可双向 研究多集中于双馈风力发电机的运行控制，而对双 流动的交流变频器。当发电机的转速由于风速的变 ＰＷＭ变频器主电路参数的选择研究则较少，尤其是 化而变化时，通过控制变频器，可以使发电机定子输 对于ＭＷ级这样的大功率应用场合。当系统的开 出的频率固定，而转子侧则根据发电机运行的不同 关频率级的谐波已无法忽略的情况下，本文主要研 状况而馈入或回馈能量。 究了在ＭＷ级双馈风力发电场合中，双ＰＷＭ变频 目前，转子励磁变频器的主要方式为交一交变 器主电路参数的选择问题，这也是该攻关项目能否 频和交一直一交变频两种。其中，矩阵式交一交变 进入实用化所必须重点考虑的问题之一。 一５ｌ一 上海电器技术（２００８№・３） ＭＷ级风电系统整流侧ＬＣＬ型滤波器分析与设计．产品选用．产品介绍 １ 双ＰＷＭ交一直一交变频器简介 轮箱、变压器、双ＰＷＭ变频器、双馈异步发电机、滤 波器等构成。系统结构框图如图１所示。 交流励磁变速恒频风力发电系统由风力机、齿 ＰＧｅ 一发电机发出功率；ｓ・Ｐ＆ 一经变频器流动的转差功率 图１系统结构框图 图１中的双ＰＷＭ变频器能实现转差功率在发 流储能用的电解电容容量有所降低。 电机转子与电网间的双向流动，可以满足交流励磁 ＰＷＭ整流器主电路如图２所示。图２中， 、 发电机的运行要求 ］。 、 分别是变频器的输入三相电压；Ｌ为进线电 当发电机转速几变化时，若控制发电机转子侧 抗器，主要起着能量的存储和双向馈送功能，其值的 的供电频率 作相应变化，使发电机定子频率 保 大小决定着系统输入电流的范围、功率因数的范围 持恒定不变，且与电网频率保持一致，这样就可以实 以及输人电流响应指令电流的能力，同时也起到了 现变速、恒频控制。 滤波的效果。在一般的小功率系统中，由于功 双ＰＷＭ变频器的控制系统由两部分构成：一 率器件的开关频率可以达到很高，故输入电流的谐 部分是电网侧（整流侧）；另一部分是转子侧（逆变 波一般较小，而在ＭＷ级双馈风力发电机的变频系 侧）。 统中，由于变频器的容量一般达到了几百千伏安，功 电网侧ＰＷＭ变频器为三相电压型整流器，主 率器件的开关频率不可能达到很高值，从而导致了 要优点有： 变频器的开关频率级的谐波不能忽视，故有必要对 （１）功率可以双向流动； 系统的高频（开关频率级）谐波进行考虑。然而，为 （２）输入电流正弦，且谐波含量少； 了减小开关频率附近的高次谐波，需要采用感值很 （３）功率因数可调，且可运行在单位功率因数 大的电感。通常，高功率设备在几千瓦以上，大感值 下； 的电抗器造价非常昂贵，且系统的动态性能变 （４）在输入电网电压固定的情况下，直流母线 差 ，而ＬＣＬ型滤波器在滤除高次谐波方面效果很 电压可以调节，且直流母线电压抗负载扰动陛好； 好 ］、［ ］、［ ，且滤波器的总电感值也比较小，用于高 （５）通过对ＰＷＭ整流器的有效控制，可以使直 功率设备上是它重要的优点，只不过ＬＣＬ滤波器 一５２一 产品选用．产品介绍．ＭＷ级风电系统整流侧ＬＣＬ型滤波器分析与设计 上海电器技术 三 ！ ：！ Ｏ 图２ 采用ＬＣＬ滤波器的三相电压型整流器 的设计比较复杂。本文提出了一种ＬＣＬ型滤波器 的新型设计方法，充分考虑了对滤波器参数的。 首先，利用电流的纹波要求，得出滤波器的等效电 △，ｒｉｐｐｅ ＝ × 感；然后，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，通过方程 ≥的求解，可方便地求出滤波器的其它参数 。’ 。以 下是对该系统进行的理论分析及仿真建模。 忐 ㈩ 综合式（１）、式（３），得到电感的取值范围： ２滤波器设计分析 ２．１ 总电感的选取 ４ △， ｌ三 ≤一 一一 Ｏ）Ｉｐｐ ㈩ ． 根据式（４），电感 值越小，电流的跟踪能力 及系统的响应越快；而电感值越大，滤波效果越好， ，，设系统功率因数角为 ，要实现整流器的四象 限运行，需满足下列关系式： Ｅｐｐｓｉｎ￣ｐ＋：——／—２￣２———２—２＿ｔｏｌＰＰ １ 因此需要综合考虑，选择合适的电感值。 ２．２滤波电容的选取 式中：￡ ＝Ｌ ＋ ——滤波器等效总电感 、 ——为了避免整流器输入功率因数过低，一般滤波 电容吸收的基波无功功率不能大于系统有功功率的 ５％ 。在基波频率下，对单相滤波器的电路进行 等效简化，可以认为其是电感串联后与电容并联，因 此电容吸收的无功功率为： Ｑｃ × Ｐ （５） 电网侧、变频器侧电感 整流器输入相电压基波峰值 Ｅ ——电网相电压峰值 ——，ＰＰ——相电流峰值 在采用ＳＶＰＷＭ调制时，可以获得最大基波相 ，，２ 电压峰值 ＝ ，其中 为直流电压，故有： 从而得到电容取值范围为： ｃ≤ ＡＰ （６） ｔＯ／ｒｐ ㈩ 式中：Ｑ ——滤波电容吸收的基波无功功率 一５３— 塑皇堂垫 ！ ・ ＭＷ级风电系统整流侧ＬＣＬ型滤波器分析与设计．产品选用．产品介绍 Ｐ——整流球额定有功功率 Ｅ ——电网相电压有效值 ３设计计算及仿真分析 Ａ——Ｑ 相对Ｐ的大小 利用上述介绍的滤波器设计方法，进行２ＭＷ ２．３电感Ｌ 和￡－。的选取 风电变频器系统的设计。系统参数如下： 首先，令ｒ＝ Ｌｇ变频器功率Ｐ ０．６ ＭＷ ，则 ：（１＋ｒ）Ｌ 。从ＰＷＭ整 变频器网侧额定电流有效值 ６１４ Ａ 流器往电源侧看，ＬＣＬ滤波器相当于电感Ｌ 与电容 变频器网侧开关频率 ２ ｋＨｚ ｃ并联后再与电感Ｌ 串联，因此它的谐振频率为： 电网线电压有效值 ６９０ Ｖ 瓒＝ １ ㈩ 直流电压 １ １００ Ｖ ３．１ 设计计算 为了避免谐振发生，需满足 ］： （１）取Ａ＝０．５，根据式（６）求得电容Ｃ≤２００．南 １ｏｆ，≤ ≤— （８） ６７５ Ｆ，取Ｃ＝２００ ｐ，Ｆ。 （２）一般最大电流纹波值为额定电流的１５％ ＬＣＬ滤波器的ＬｓＣ部分主要是为了减少开关频 一２５％，这里选择为额定电流的２０％。根据式（３）， 率附近的高次谐波。谐波的衰减比是一个重要的设 求得等效电感ＬＴＩ＞６９２．８ Ｈ，取ＬＴ＝７００ ｔｒＨ。 计参数，其大小与电网对高次谐波的要求有关，表达 （３）分别设计 ，选择开关频率附近高次谐 式为 ： 波的衰减比ｄ＝０．１，代人式（１２）得到：ｒ＝１．２５，ｋ＝ ｉ２（ 。 ）一Ｉ １＋ｒ（１—４盯ｚ…Ｌ ｃ） （９） ０．４８或ｒ＝８．８５，ｋ＝０．７（ｋ太大，舍去），则Ｌ ＝ ３１１．１１ Ｈ，Ｌ２＝３８８．８９ Ｈ。取Ｌ１：３００ Ｈ，Ｌ２＝ 由式（７）可得（２ 。） 儿 ｃ＝１＋ｒ，且令 ＝ ４００ Ｈ，其中 ：８５６ Ｈｚ。 ３．２仿真分析 （ｋ＜０．５），式（９）可以化为： 采用上述设计的ＬＣＬ型滤波器参数，在 （１０） Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下搭建仿真模型。同时，与采用电 感型滤波器进行滤波性能的比较，其中Ｌ＝Ｌ ＝７００ Ｈ。图３为采用ＬＣＬ型滤波器输人电流及其频 由于高次谐波的衰减比在设计滤波器参数之前 谱图。图４为采用Ｌ型滤波器输入电流及其频 就确定了，因此可以得到谐振频率 与ｒ之间的关 谱图。 系为： 通过对图３、图４的对比分析，可以发现：网侧 ＝ √ （１１） 电流中的高次谐波大大降低，开关频率附近高次谐 波的幅值从图４中基波幅值的３％降低到了图３中 联立式（７）和式（１１），得到关于ｒ的二次方程： 的１％左右，而电流的谐波畸变率则从４．３１％下降 ｄ ｒ２＋（２ｄ＋１一ｄ∞２ ＬＴＣ）ｒ＋ｄ＋１：０（１２） 到了０．９６％，电流的正弦性得到了很大的提高。 首先，根据设定的谐波衰减比ｄ、滤波电容ｃ以 由此可见，ＬＣＬ型滤波器比Ｌ型滤波器在滤除 及电感 的值判断方程是否有解，如果无解，可改 高次谐波、提高电流质量方面更有效。因此，如果对 变ｄ、ｃ、 的值，直到方程有正解；然后，根据ｒ的值 电流的谐波要求相同，采取ＬＣＬ型滤波器可以相对 分别求出两个电感 和 。的值。 ． 减小电抗器的电感值，从而提高系统的动态特性。 一５４— 产品选用．产品介绍．ＭＷ级风电系统整流侧ＬＣＬ型滤波器分析与设计 上海电器技术 ？ 图３采用ＬＣＬ型滤波器输入电流及其频谱 图４采用Ｌ型滤波器输入电流及其频谱 ［２］赵仁德，贺益康，黄科元，等．变速恒频风力发电机用 ４ 结语 交流励磁电源的研究［Ｊ］．电工技术学报，２００４，１９ 针对ＭＷ级双馈风力发电机变频器的特点，具 （６）：１—６． 体分析整流部分变频器在一定纹波系数要求的前提 ［３］ Ｍａｒｃｏ Ｌｉｓｅｒｒｅ，Ｆｒｅｄｅ Ｂｌａａｂｊｅｒｇ，Ｓｔｅｆｆａｎ Ｈａｎｓｅｎ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｎ ＬＣＬ—ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ａｃｔｉｖｅ 下ＬＣＬ滤波器参数的二次求解方程，使复杂的滤波 ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． 器设计过程变得简单。同时，仿真的结果也充分证 ２００５，４１（５）：１２８１—１２９０． 明了该公式的正确性，并通过和纯电感滤波器比较， ［４］Ｍａｒｃｏ Ｌｉｓｅｒｒｅ，Ｒｅｍｕｓ Ｔｅｏｄｏｒｅｓｃｕ，Ｆｒｅｄｅ Ｂｌａａｂｊｅｒｇ．Ｓｔａ－ 证明了ＬＣＬ滤波器在滤除高次谐波方面的优良性 ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎ． 能，在大功率系统中很有应用价值，对实际工程应用 ｖｅｒｔｅｒｓ ｆｏｒ ａ ｌａｒｇｅ ｓｅｔ ｏｆ ｇｒｉｄ ｉｍｐｅｎｄａｎｃｅ ｖａｌｕｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ 也具有指导作用。 Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００６，２１（１）：２６３— ２７２． 参考文献 ［５］Ｔｉｍｏｔｈｙ ＣＹ Ｗａｎｇ， Ｚｈｉｈｏｎｇ Ｙｅ，Ｇａｕｔａｍ Ｓｉｎｈａ，ｅｔｃ．Ｏｕｔ— ｐｕｔ ｉｆｌｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ ｇｒｉｄ—ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ｉｎ— ［１］卞松江．变速恒频风力发电关键技术研［Ｄ］．杭州：浙 ｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］．Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００３ 江大学，２００３． ＩＥＥＥ ３４６ｈ Ａｎｎｕａｌ：２３１—２４１． 一５５—
