海上大容量中压风电变流器的网侧滤波器设计

第37卷第4期013001372016年8月电力电容器与无功补偿POWERCAPACITORREACTIVEPOWERCOMPENSATIONVO137，NO401300137AUG2016DOHL014044J16741757PCRPC2016040024海上大容量中压风电变流器的网侧滤波器设计刘彬辽宁石化职业技术学院，辽宁锦州121000摘要和陆基风电变流器不同，海上风电变流5器属于大容量中压系统，其网侧LCL滤波器的设计难度主要体现在几个方面，即中压变流器开关频率是受限的而滤波器物理尺寸和重量有严格限制。同时电流谐波也有严格标准，因而传统的小功率、高开关频率低压变流器的滤波器设计将不再适用。针对这个问题本文以三电平中点钳位型风电变流器为例，采用了基于频域模型分析的方法对其网侧LCL滤波器进行了设计首先提出了一种虚拟电压谐波频谱的概念来对滤波器设计提供相关的约束，然后利用储能对应体积重量的概念简化了设计过程，同时还使用了被动阻尼技术，为滤波器提供了必要阻尼的同时还保持了低损耗和对高频衰减较小的影响。最后，对滤波器性能进行了仿真试验，试验结果表明，在额定感性和容性输出时，输出谐波均符合标准要求，变流器侧最大电流纹波小于20，最大附加损耗小于标么的05，滤波器设计较为合理，滤波效果较好，附加损耗较低。关键词海上风电机；中压；大容量；变流器；电力滤波器；电能质量DESIGNOFGRIDSIDEFILTERFOROFFSHOREHIGHPOWERMEDIUMVOLTAGEWINDPOWERCONVERTERSLIUBINLIAONINGPETROCHEMICALCOLLEGE，JINZHOU121000，CHINAABSTRACTOFFSHOREWINDPOWERCONVERTER，UNLIKELANDBASEDWINDCONVERTER，BELONGSTOHIGHPOWERMEDIUMVOLTAGESYSTEMTHEDESIGNDIFFICULTYOFITSGRIDSIDELCLFILTERISREFLECTEDMAINLYINSUCHASPECTSASLIMITATIONOFSWITCHFREQUENCYOFMEDIUMVOLTAGECONVERTER，STRICTLIMITOFPHYSICALDIMENSIONANDWEIGHTOFFILTERANDSTRICTSTANDARDOFCURRENTHARMONICSTHEREFORETHEDESIGNOFFILTERWITHTRADITIONALSMALLPOWERANDHIGHSWITCHFREQUENCYLOWVOLTAGECONVERTERISNOTAPPROPRIATEANYMOREASFORTHISISSUE，INTHISPAPER，THEGRIDSIDELCLFILTERISDESIGNEDBYTHEMETHODOFFREQUENCYDOMAINMODELANALYSISWITHTHREELEVELNEUTRALPOINTCLAMPEDCONVERTERASANEXAMPLEFIRSTLY，AKINDOFCONCEPTOFVIRTUALVOLTAGEHARMONICSPECTRUMISPROPOSEDTOPROVIDERELATEDCONSTRAINOFFILTERDESIGN，THENTHEDESIGNPROCESSISSIMPLIFIEDBYTHEUSEOFTHECONCEPTOFTHERELATIONSHIPBETWEENENERGYSTORAGEANDVOLUMEAND，ATTHESAMETIME，THEPASSIVEDAMPINGTECHNOLOGYISALSOUSEDSOTOPROVIDENECESSARYDAMPINGOFFILTERAND，ATTHESAMETIME，MAINTAINLOWLOSSANDMINIMUMINFLUENCEOFHIGHEQUENCYDECAYFINALLYTHEPERFORMANCEOFTHEFILTERISSIMULATEDANDTESTEDITISSHOWNBYTHETESTRESULTTHATINCASEOFRATEDINDUCTIVEANDCAPACITIVEOUTPUT，THEOUTPUTHARMONICSCOMPLIESWITHSTANDARDREQUIREMENT，THERIPPLEOFMAXIMUMCURRENTATTHECONVERTERSIDEISLESSTHAN20ANDTHEMAXIMUMADDITIONALLOSSISLESSTHAN05OFTHEPUTHEFILTERHASREASONABLEDESIGN，GOODFILTERINGRESUHANDLOWADDITIONALLOSSKEYWORDSOFFSHOREWINDGENERATOR；MEDIUMVOLTAGE；HIGHPOWER；CONVERTER；POWERFILTER；POWERQUALITY0引言风能作为可再生能源的重要种类，其用于发电的装机容量在持续增加1_3。近来，风力发电的研究收稿日期20160203L30焦点已经从陆基风电转移到了海上风电。对于风电变流器而言，陆基风电变流器在技术上已经趋于成熟，而海上风电变流器由于容量增加，电压等级升高到中压，设备的功率密度和可靠性依然处于提升中。而变流器网侧滤波器作为电网和2016年第4期刘彬，等海上大容量中压风电变流器的网侧滤波器设计总第166期变流器的关键接口设备，其设计优劣将直接影响到变流器的性能和输出电能质量。目前广泛采用的风电变流器网侧滤波器方案为LCL滤波器7TO3。这是因为LCL滤波器作用于整个频谱，能在谐振频率点以上的频谱段提供至少40DBDEC以上的衰减滤波效果较好尤其适用于采用PWM控制的变流器输出滤波，其谐波一般为开关频率的倍数或边带谐波。对于低压小功率风电变流器而言开关频率足够高，则谐波频谱也属于高频段，因而可以较容易地选择LCL滤波器的谐振频率且不会对控制器的稳定性造成任何影响。而对于中压大功率变流器，由于受到半导体功率器件的限制，开关频率通常限制在约1KHZ，而对于载波调制技术，第1个载波频带将稍大于10倍基波频率，这使得难以将滤波器的谐振频率或截止频率布置在控制带宽之上，而在幅值较大的谐波频带之下。此外，低频滤波器将是一种体积较大重量较重且成本昂贵的设备，这使得优化设计过程非常重要。本文以中压大容量三电平中点钳位型风电变流器为例。对LCL滤波器进行了设计，基本设计思路是先列出滤波器设计约束，推导滤波器的数学模型，然后逐步确定相关参数，最后通过仿真对设计进行了滤波性能验证。1滤波器设计约束图1是典型的中压大容量风电变流器网侧输出示意图。变流器网侧图1三电平中点钳位型风电变流器的LCL滤波器FIG1LCLFILTERFORTHREELEVELNEUTRALPOINTCLAMPEDWINDPOWERCONVERTER网侧逆变器采用三电平中点钳位型拓扑，该拓扑能有效降低半导体功率器件应力，实现中压输出DT143。逆变器之后就是一个LCL滤波器，然后滤波器输出通过升压变压器接入到高压交流电电网。变流器的额定容量为6MVA，额定输出电压为33KV，额定频率为50HZ，额定功率因数范围为Z09，后续将需要采用标么值分析，具体相关参数见表1。表1变流器参数列表TABLE1PARAMETERSOFCONVERTER11电网谐波标准考虑到系统接人的是33KV电网，目前国内主要参考标准是国标GBT14549一L99315引。对于中压海上风电的电网接入更为严格的标准是德国电力协会的VDEW标准_17。具体而言，标准规定的谐波电流限制值是基于电网的短路比SCRSHORTCIRCUITRATIO，即电网短路电流与发电机额定电流之比。基本的谐波限制标准可以按照下式描述，MIMSCR。1式中H为谐波次数，为第H次电流谐波的限制值根据表1所示标么系统，上式可转换为J_00006SCRHLLMPU。2J一一0，通过计算将25次以下的奇数倍谐波标准列出，见表2这也是重点需要考虑的谐波频带。表225次以下的电流谐波限制TABK2LIMITSOFTHECURRENTHARMONICSBELOW25TH基于本文研究对象为中压风电变流器，可以设置SCR为20，即标么为电网阻抗的5L8】。进一步将计算结果绘制如图2所示。其中斜实线为奇数倍谐波限制。而竖线表示更加严格的偶次谐波和非整数次谐波在25次谐波以下的标准。12变流器虚拟电压谐波频谱谐波频谱不仅和变流器拓扑相关，同时也和脉1312016年第4期电力电容器与无功补偿第37卷冲调制算法PWM密切相关，本文采用非对称规则采样正弦脉宽调制结合L6倍幅值3次谐波注入的调制算法。选择该调制策略的原因是其具有通用性，广泛应用，易于数字实现，较高的直流电压利用率，较好的谐波性能1。对于开关频率固定的系统，将载波频率设置为基波频率C的奇数倍能获取较好的谐波性能，例如3、9或15倍等。这抑制了奇数非3次谐波。10。1OE10。；10101020304050607080901O0皆波H图2电网谐波标准和虚拟电压谐波频谱FIG2HARMONICSTANDARDOFGRIDANDHARMONICSPECTRUMOFVIRTUALVOLTAGE变流器使用的功率器件为额定电压45KV，额定电流13KA的IGBTINSULATEDGATEBIPOLARTRANSISTORS，其最大开关频率限制在12KHZ以下，因而载波频率设置为2L倍基波频率，即105KHZ。直流侧电压DC设计为55KV标么167，调制比设计在08到115之间。根据不同调制比和基波相位0，可计算出逆变输出电压谐波。采用前述调制策略，对于1个给定的调制比，谐波分布会随参考电压的相位变化而变化，但是具有周期的规律性。因此，为了求出不同调制比时最差谐波分布，即必须计算出半个载波周期内的所有频谱。然后将不同计算结果中最坏谐波情况组成了1个虚拟的电压谐波频谱VVHSVIRTUALVOHAGEHARMONICSPECTRUM，具体如图2所示。具体计算时先固定设置1个调制比，然后调整基波参考电压的初始相位参数。计算出输出电压谐波，此时就有1个频谱了，取一定的间隔来改变初始相位参数后重新计算，这将存在有限个频谱，然后将该固定调制比下有限个不同计算结果中最坏谐波情况组成该固定调制比下的最差频谱，接着穷举不同的调制比，再次将最差谐波频谱组合便构成了虚拟的电压谐波频谱VVHS。应注意这个频谱VVHS不是针对特定调制比或基波参考相位，而是在整个实际工作范围内的最坏情况下谐波的集合。VVHS的使用限制在频率域内计算，同时后续的分析和计算，都是基于VVHS。VVHS是1个有效的工具可以用来分析滤波器在整个变流器工作区间内的性能。从图2中还可以看出，若使用LC滤波器，可能很难满足实际需要，因为载波基波频率比太小，谐波L32分布相对较广，而VDEW电流谐波标准中26次到39次谐波为标么L0量级，而在这些频段的谐波电压为标么L0量级，故滤波器的截止频率必须小于标么1O之，所以需要一个LCL二阶滤波器。13变流器电流纹波LCL滤波器的设计不仅受电网规范约束谐波限值，同时也由变流器约束，即变流器设计容量、拓扑结构、电压电流的额定值等。变流器容量达到兆瓦级，电压达到中压后，可选用的拓扑和半导体器件种类就很少了143。因此，网侧滤波器的设计需要满足变流器特定设计输人。对于给定的开关频率和直流电压，其纹波电流作为通过半导体器件峰值电流的一部分，跟滤波器导纳相关。而滤波器引起的基波电压降，跟滤波器阻抗函数相关。因此。滤波器阻抗越大，纹波电流越小，但是电压降越大，为了达到额定的电压，变流器必须提高调制比。对于给定的变流器拓扑和指定的半导体器件，最大纹波电流受到半导体器件额定电流参数和热参数的限制，最小纹波电流受到直流母线电压的限制也即受到半导体功率器件的额定电压参数限制。LCL滤波器的最大允许纹波电流值对其成本和体积重量有较大影响。电流纹波决定了磁性材料的选择和芯层的尺寸厚度，必须避免磁饱和，以及散出铜消耗和磁芯损耗产生的热量。因此，较低电流纹波对应1个更小更便宜的滤波器电感。然而，取得纹波电流和电压降之间的平衡是较难的，较好的方法是选择最大允许电流纹波作为一个起点，以获得一个电压限制，然后进行优化计算。前述所选IGBT额定电流为13KA，将其作为LCL滤波器设计的起点。设置纹波电流峰峰值为额定电流的25，即峰峰值为额定电流的50。因为IGBT额定电流选型为1，3KA，而前述变流器的电流基值为1050A，其125倍刚好为13KA，达到了功率器件的使用极限因此选择25作为设计起点。2LCL滤波器数学模型LCL滤波器网络模型如图3所示。图3LCL滤波器网络模型FIG3NETWORKMODELOFLCLMTER2016年第4期刘彬，等海上大容量中压风电变流器的网侧滤波器设计总第166期图中和R为变流器侧电感和，和I为变流器侧电压和电流，和R为电网侧阻抗和升压变压器低压侧的漏感之和，和I。为电网侧电压和电流，C3为滤波电容，R为阻尼电阻，为电容上电压。图中寄生电阻尺。和R有助于系统阻尼，但作为主要电流通路的一部分，其值通常是尽量减小以减少损耗。R和的存在稍微改变了传递函数的零极点对消，但他并不改变传输函数的结构、以及衰减。因此，他们在建模过程中可以忽略，但在一些数值计算时需要考虑。因此，假定和标么值为0005，在这个功率等级的电感器中，这个值较为符合实际情况。LCL滤波器可以看成一个双端口网络，分别称之为变流器侧、电网侧分别有输入电压电流和输出电压电流。从滤波器设计的角度，电网电压由电网给出，而变流器电压由直流电压、拓扑和调制决定，因此变流器电流和电网电流都由输入输出电压的相对幅值相位来决定。故从建模型的角度，2个电压为输入，2个电流为输出，电流通过电压可以计算出来。因此，LCL滤波器的状态空间模型有3个状态变量，即电感电流IL,I和电容电压，写成向量形式为1I2I3。3电容电压属于内部变量，但考虑到其也作为1个设计相关的重要变量，因此输出向量为YX，而输人向量为L2T。4因此，状态空间模型方程为YSGSUS，其中GS为GS、S击其。6进一步推导可得到前向自导纳传递函数Y。S和前向导纳传递函数Y。S为簇，Y鲁蔫。其中为谐振频率，为阻尼系数，具体为P，9盟2、V压L。1O3基于频域模型分析的LCL滤波器设计传统的变流器网侧LCL滤波器设计基于以下假设1在低频范围内的滤波器低于谐振频率可以近似为电感和的总和，而在高频范围内，近似可以看成只有逆变器侧L在起作用。因为在分析高频时，电容近似为短路状态。2谐振频率假设明显低于最低有效谐波带。3滤波器设计忽略直流母线电压波动的影响。但在中压大容量场合边带谐波明显下降到第5次谐波。因此，不可能设置谐振频率远低于谐波带，而谐振点只能位于有谐波存在的频率带内。因此，有可能有1簇谐波将被放大，而不是衰减，这可能会导致高于预期的纹波电流，而这可能需要一些控制手段进行补偿。31变流器侧电感的参数整定考虑LCL谐振频率明显低于开关频率，因此可以忽略电容器的阻抗。而谐振频率以下，依然存在谐波，这些谐波主要就是依靠进行衰减。由于必须流过这些更高频谐波电流，因此通常成本较更昂贵，而是低频电抗器，故LL的值通常是达到功能的情况下尽量最小化。文献20提出了两电平变流器LCL的最小电感值设计方法，但是跟变流器拓扑结构和调制算法相关。因此，要确定最坏情况下的电流纹波，则必须考虑变流器的三电平拓扑结构与调制算法。图4所示为三电平SVPWM空间矢量调制算法原理。图中每个点代表了中点钳位型逆变器的可利用电压矢量而调制就是选择合适的矢量去合成参考矢量来实现输出。若单独拿出1个扇区，则具体合成方法为_0卜L2T2_2_WR2IS。11J_图中、，和分别为矢量。、和的作用时间；为参考矢量。而峰值纹波电流是由1个开关周期内的电感上的矢量电压作用时间之间的差异决定的。分析可得，最大峰值纹波电流发生在死0，而T2TJ4，即图4所示的位置上。作用在电感上的电压时间乘积为】33矗立警2016年第4期刘彬，等海上大容量中压风电变流器的网侧滤波器设计总第166期L17123RENKANGLE，ZHANGXING，WANGFUSHENG，ETA1OPTIMIZEDDESIGNOFOUTPUTFILTERFORTRANSFORMERLESSTHREELEVELDCONNECTEDINVERTERJAUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEMS，2015，3931171239彭秋波，盘宏斌，刘勇，等LCL型三相并网逆变器双闭环解耦控制器设计J电工技术学报，2014，294103一LL0PENGQIUBO，PANHONGBIN，LIUYONG，ETA1DESIGNOFDUALLOOPDECOUPLINGCONTROLLERINLCLTHREEPHASEGRIDCONNECTEDINVERTERJTRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETY，2014，294103一L1010GABEIJ，MONTAGNERVF，PINHEIROHDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFAROBUSTCURRENTCONTROLLERFORVSICONNECTEDTOTHE鲥DTHROUGHANLCLFILTERJIEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS，2009，24561444145211KOUROS，MAUNOWSKIM，G0PAKUMARK，ETA1RECENTADVANCESANDINDUSTRIALAPPLICATIONSOFMULTILEVELCONVERTERSJIEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS，2010，5782553258012PORTILLORC，PRATSMM，LEONJI，ETA1MODELINGSTRATEGYFORBACKTOBACKTHREELEVELCONVERTERSAPPLIEDTOHIGHPOWERWINDTURBINESJIEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS，2006，5351483149113SRIKANTHANS，MISHRAMKDCCAPACITORVOLTAGEEQUALIZATIONINNEUTRALCLAMPEDINVERTERSFORDSTATEOMAPPLICATIONJIEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS，2010，5782768277514SENTURK0S，HELLEL，MUNKNIELSENS，ETA1CONVERTERSTRUCTUREBASEDPOWERLOSSANDSTATICTHERMALMODE1INGOFTHEPRESSPACKIGBTTHREELEVELANPCVSCAPPLIEDTOMULTIMWWINDTURBINESJIEEETRANSACTIONSONINDUSTRYAPPLICATIONS，2011，4762505251515GBT145491993电能质量公用电网谐波SGBT145491993QUALITYOFELECTRICENERGYSUPPLYHARMONICSINPUBLICSUPPLYNETWORKS16T盼，刘飞，查晓明基于有源阻尼的并联有源滤波器输出LCL滤波器设计J电力自动化设备，2013，334L61166WANGPAN，LIUFEI，ZHAXIAOMINGDESIGNOFOUTPUTLCLFILTERBASEDONSHUNTAPFWITHACTIVEDAMPINGJELECTRICPOWERAUTOMATIONEQUIPMENT，2013，33416116617ARAUJOS，ENGLERA，SAHANB，ANDANTUNESFLCLFILTERDESIGNFORGRIDCONNECTEDNPCINVERTERSINOFFSHOREWINDTURBINESC20077THINTERNATIONAL