（电工理论与新技术专业论文）风力发电用交直交变流器电磁兼容性设计.pdf

e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g no f a c d c a c c o n v e r t e ru s e di nw i l l dp o w e rg e n e r a t o r a b s t r a c t i ti saf o c u so fa t t e n t i o no ft h ew o r l de n e r g yi n d u s t r yf o ri m p r o v i n gt h ee n e r g y s t r u c t u r e ，u t i l i z a t i o no f r e n e w a b l ee n e r g y , r e d u c i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n di m p r o v i n g p o w e rq u a l i t y w i n de n e r g yi san e wf o r c es u d d e n l yr i s e si ne n e r g ys o u r c e sa n dp o w e r i n d u s t r yf o ri t sc h a r a c t e r i s t i co fs a f e t y 、c r e d i b i l i t y 、n op o l l u t i o n 、n oe x p e n d i n gf u e l 、 s h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o d 、s m a l ls c a l e 、c o m b i n e st h en e tt or u na n d o n d u et oam a s so f p o w e re l e c t r o m ce q u i p m e n t sa r eu s e di nw i n dp o w e rs y s t e m ，i ti si n e s c a p a b l ei n t r o d u c e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yi s s u e s ，a n d m a k es e r i o u si n f l u e n c et ot h e s y s t e m ，f u r t h e r m o r e ，i tb e c o m e sg r a v e n e s sa st h es y s t e mp o w e ri n c r e e s e t h ep a p e ri sa i m e dt ot h e s t u d yo fa c d c a cc o n v e r t e ru s e di nm wg r a d e v a r i a b l e - s p e e dc o u s t a n t - f i e q u e n c ed o u b l y - f e dw i n d e n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m i ta n a l y s e s t h eo r i g i n 、p r o p a g a t i o np a t ha n ds u s c e p t i v i t ye q u i p m e n to fe m in o i s ei nc o n v e r t e rs y s t e m f i r s t l y ，t h e ng i v e st h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g no ft h ec o n v e r t e r , t h e s ed e s i g n i n c l u d e ( 1 ) e m if i l t e rf o rp o w e rl i n en o i s ed e s i g no fg r i d - s i d ec o n v e r t e ra n do o n l n l o nm o d e n o i s ee m if i l t e rd e s i g no fr o t o r - s i d ec o n v e r t e r , ( 2 ) a n t i - j a m m i n gd e s i g nf o rc o n t r o ls y s t e m o fc o n v e r t e rf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r es i d e s ，a n de m p h a s e so np c bd e s i g no fc o n t r o l c i r c u i t ，t h es o f t w a r ec a d e n c es p e c t r u mi su s e dt os i m u l a t et h es i g n a li n t e g r i t y 、p o w e r i n t e g r i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yf o rt h em a i ns i g n a ll i n e o np c b d 0s o m e a d j u s t i n gb a s eo nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ；( 3 ) i na l l u s i o nt ot h e i s s u e so fl o r 培c a b l e t r a n s m i s s i o na n do v e r - v o l t a g e ，a n a l y s e st h e o c c u r r i n gm e c h a n i s mo ft h eo v e r - - o l t a g e a c c x d i n g t ot r a n s m i s s i o nl i n e t h e o r y , a n dd i s c u s s e s t h ed u d tr e s t r a i nn e t w o r ki n c o n v e r t e r - s i d ea n dm o t o r - s i d er e s p e c t i v d y , a n dc o m p a r et h er e s u l t sw i t l ls a b e rs o f t w a r e ；( 4 ) l i g h t n i n gp r o t e c t i o ns u b a r e a f o rw i n dp o w e rs y s t e mb a s e do nt h ea n a l y s i so fi t s o c c u r r i n gm e c h a n i s ma n de x i s t i n gl i g h t n i n gp r o t e c t i o ns t a n d a r d ，c h o o s el i g h t n i n ga t t e s t e r f o rp o w e ra n ds i g n a ll i n e v i ae x p 口i m e n t a t i o no n1 5 m wd o u b l y - f e ds i m u l a t i o ns y s t e m , i ti n d i c a t e st h a t ：t h e c o n v e r t e rw o r ks t a b l y , i th a st h eg r e a tc a p a c i t yo fw i t h s t a n d i n gi n t e r f e r e n c ea f t e ri n t e g r a t e d e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g nf o rc o n v e r t e rs y s t e m k e yw o r d s ：a c d c a cc o n v e r t e r ；e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ；e m if i l t e r ；p c b ；l o n g c a b l e ；o v e r - v o l t a g el i g h t n i n g p r o t e c t i o n i v 插图清单 图1 - 1 变速恒频双馈风力发电系统结构图4 图2 - 1 三相电网相电压突变和短时间停电波形8 图2 - 2 交流励磁用双p w m 变流器主电路一9 图2 - 3 转子变流器输出电压波形1 0 图2 - 4 转子输出电流波形l o 图2 5 转子侧交流器输出电流分析1 0 图2 - 6 谐波造成的电压波形失真11 图2 7 转子侧变流器输出电压及经长线传输后电机侧电压波形1 2 图2 8 转子侧交流器输出共模电压1 2 图2 - 9 共模电压波形1 3 图2 1 0 共模电流波形1 3 图2 - 1 1 共模电流路径1 4 图2 一1 2 异步电机的容性耦合1 4 图2 - 1 3 简化后的系统共模电流路径1 5 图2 1 4 轴承电流的形成等效电路1 6 图2 1 5 双馈电机共模等效模型1 6 图2 1 6 轴承电流仿真模型及波形1 7 图2 1 7m m 模块中一相的高频等效模型。1 8 图2 1 8 电缆高频等效模型1 8 图2 1 9 电容高频等效电路1 9 图2 2 0 电感高频等效电路1 9 图3 - 1e m i 滤波器插入损耗的定义2 l 图3 - 2 f n 3 3 5 9 6 0 0 ，f n 3 3 5 9 8 0 0 滤波器不同阻抗下的插入损耗曲线2 1 图3 3 电源线e m i 滤波器结构2 2 图3 4 选择电源线e m i 滤波器共模及差模插入损耗曲线2 3 图3 5 插入共模电感后电路结构2 4 图3 - 6 共模干扰等效电路2 5 图3 7 插入共模电感前后的振荡电流波形比较2 6 图3 8 插入共模变压器的电路结构2 7 图3 - 9 插入共模变压器后的共模等效振荡电路2 7 图3 - 9 插入共模变压器后在不同r 下漏电流波形2 8 图3 1 l 三相四桥臂电路结构2 9 图3 - 1 2 采用有源滤波器消除共模电压电路结构3 0 图3 1 3 双馈系统结构3 1 图3 1 4 图3 1 3 的等效电路3 1 图3 1 5 整流器和逆变器分别为不同的矢量状态3 2 图4 1d s p 控制系统结构3 4 图4 2 带e m i 滤波器的控制电源线示意图。3 5 图4 _ 3 电压电流采样通道转换示意图3 6 图4 4 转换前后信号波形3 7 图4 - 5 四层板结构3 8 图4 _ 6 信号反射3 9 图4 _ 7 信号串扰3 9 图4 8 影响电源完整性的几个因素4 0 图4 9 去耦电容对电源阻抗的影响4 1 图4 - 1 0 去耦电容的特性4 2 图4 1 12 0 h 原则。4 3 图4 - 1 1 双层p c b 布线方法4 4 图4 - 1 3p c b 关键信号线仿真结果4 5 图5 1 双馈风力发电系统结构框图4 6 图5 - 2p w m 脉冲电压传输过程4 7 图5 3 截止频率与开关频率的关系4 9 图5 - 4 电机端抑制网络5 0 图5 5 变流器输出抑制网络5 l 图5 6d u d t 抑制网络仿真结果5 3 图6 - 1 雷电流波形5 4 图6 2 风电机组各部件受雷击损坏的概率( i e ct r6 1 4 0 0 2 4 ) 。5 5 图6 3 风电机组浪涌保护分区一5 7 图6 _ 4 组合放电电路5 8 图6 5 交直交变流器与控制器浪涌保护设计5 9 表2 - 1 表3 - 1 表4 1 表5 - 1 表5 - 2 表6 - 1 表6 - 2 表格清单 电缆高频参数1 8 整流器与逆变器矢量表 高速电路中常见的信号完整性问题3 9 电机端2 倍于直流侧电压时最小电缆长度及对应的上升时间4 9 d u d t 抑制网络参数5 3 1 5 m w 交直交变流器电源浪涌保护器主要参数。6 0 信号线浪涌保护器参数表6 1 i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他入已 经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得 金胆王些盘堂 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意 靴煅储签浓肛辨醐57 年妒刃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太黧 有关保留，使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借 阅本人授权 金胆工业太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 籼做桃辄黜杰 签字日期：7 年罗月扣日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名： 签字日期：矽哆年岁月多妒日 电话： 邮编 第一章绪论 1 1 电力电子系统电磁兼容( e m c ) 及其研究现状 电磁兼容( e m c ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 是指电气和电子设备在 共同的电磁环境中能执行各自的功能的共存状态，它们不会因为内部或彼此间 存在的电磁干扰而影响其正常工作。它包括电磁敏感度和电磁发射两方面内 容，电磁敏感度是指电子设备抵抗电磁干扰的能力，而电磁发射是指电子产品 产生的对外电磁干扰。 自上世纪7 0 年代以来，电力电子装置由于可以进行高效率的电能转换而 日益广泛应用于工业与民用的电力变换与传动控制中。如广播、通信、卫星、 航天、各种工业动力设备用的电源，电力系统的高压直流输电、有源滤波，交 流电机的变频调速，风力发电的励磁装置等场合都要用到电力电子装置。据估 计，工业生产中7 0 的电能都通过电力电子装置变换后才为人类所利用。8 0 年代后期，功率场控器件的实用化和大容量化，使电力电子装置跨入高频化、 大容量时代。高频化大大减小了电力电子装置的体积与重量，但电力电子器件 的高速开关动作引起的极高的d i d t 及d u d t ，带来严重的电磁干扰。此外，逆 变器中开关产生的p w m 波形除了有用的基波外，还含有大量的高次谐波， 谐波频率从几k h z 到几十m h z 。高次谐波的存在使p w m 信号也会对周围 的设备产生辐射的影响，这些干扰经近场和远场耦合形成传导和辐射干扰，对 电网和环境造成严重的电磁污染，甚至威胁到其本身乃至与其相关的其他电子 设备的正常工作。为了保障电子系统和设备的正常工作，必须对干扰进行研究、 分析预测，限制人为干扰强度，研究抑制干扰的有效手段，通过合理的设计， 提高设备的抗干扰能力，以使共同环境中的系统和设备能执行各自的正常功 能。 此外，电力电子装置( 系统) 对电磁环境造成的污染和因之对其周边其它 电子设备造成的干扰，已经引起国内外研究开发和工程技术人员的密切关注。 欧洲共同体国家已经根据8 9 3 3 6 e e c 电磁兼容指令，开始对进入欧洲的大多 数电工、电子产品强制执行e m c 论证，我国也相应地从2 0 0 3 年5 月1 日起 对部分产品强制执行3 c ( c h i n ac o m p u l s o r yc e r t i f i c a t i o n ) 电力电子装置的电磁兼容问题正越来越引起国内外学者的广泛关注，主要 侧重于传导电磁干扰方面。发表的文献主要集中在：传导e m i 的典型特征 【2 】- 【6 1 、传导e m i 的建模和预测【4 6 】- 5 0 1 、传导e m i 的抑制技术【1 1 】【7 0 1 。研究的 对象大多集中在开关电源和交流电机的变频调速等方面。 1 2 风力发电用变流器的e m c 问题 风力发电的种类很多，按照与风轮机相连接的发电机转速是否恒定，风力 发电可分为恒转速运行与变速运行2 种方式；按照发电机的结构不同，大致可 分为交流异步发电机、交流同步发电机和交流双馈发电机几种形式的风力发电 并网系统。无论是采用异步发电机还是同步发电机，风力发电并网系统中都存 在大量a c 仍c 、d c a c 、a c d c a c 等电力电子交流器技术。因此，毫无疑 问的会产生电磁兼容性问题，风力发电用变流器的e m c 问题主要表现在以下 几个方面： 1 变流器中的电子器件的快速开关动作引起的高d u d t 和d i d t ，实际的 驱动电路和主电路都会存在杂散分布电容和分布电感，d u d t 会在电容上产生 很大的充电或放电电流，l n f 的电容就可以产生几到十几个安培的电流瞬态脉 冲，对电力系统产生严重的电磁干扰；d i d t 会在杂散电感上感应出电压，在大 功率驱动系统中，d i d t 可达几k a u f l ，对2 k a u s 电流变化率，3 0 n i l 的杂散 电感就可以激励6 0 v 的电压干扰，另外，有较大的d i d t 的电流环路也是一 个辐射源，将对空间产生辐射电磁场。 2 大功率交流器运行过程中会产生大量的差模和共模电磁干扰信号，当 交流器与电网连接时，会通过电源线把干扰信号引入电网，使电网受到污染， 进而影响同一电网中其它电子设备的正常工作。 3 变流器运行时产生的高频差模与共模辐射干扰会通过各种耦合通道耦 合电源线和信号线上，影响系统的正常工作。 4 交流器产生的共模电压，与电路中的寄生电容相互作用后产生高频漏 电流、轴电压和轴承电流，高频漏电流对同一地上的其它设备产生干扰，由于 轴承电流放电加工作用( e d m ) ，过高的轴电压和轴承电流对电机轴承构成严 重威胁，研究表明，由于耦合通道的不同，从转子驱动的双馈电机比传统的从 定子驱动的异步电机的轴电压和轴承电流更高，对轴承的破坏性更大。 5 变流器输出经长线驱动时引起的过电压问题，m w 级风力发电的塔架 一般均在7 0 m 以上，转子侧变流器输出的p w m 电压信号需经过长线传输至双 馈电机转子侧，由于反射等原因在转予侧感应出过电压，这不仅会增加电机绕 组的绝缘应力，而且使绕组和转子集电环的寿命降低。 6 控制系统是变流器运行的的核心，且以弱电为主，极易受到来自主电 路工作时产生的强电磁场干扰信号以及外部干扰信号的影响。另外，控制电路 中模拟信号和高速数字信号并存，一方面，快速时钟信号会产生对外差横与共 模辐射，是较强的于扰源，另一方面，时钟信号与模拟信号等又容易受到来自 系统内部和外部的各种干扰信号的影响，是主要的敏感设备，因此，控制系统 的电磁兼容性设计十分重要。 影响变流器正常工作的另一个因素是来自系统外部的各种干扰，其中最为 主要的是雷电干扰。兆瓦级风电机组风塔高度一般在7 0 m 以上，发电机组和 2 相关控制驱动设备均处于高空位置，且一般安装于开阔地带或山地。极易受到 雷击的损坏，主工作回路的大功率半导体器件以及复杂的控制系统均有可能受 到电磁脉冲的危害研究表明。风电系统中的控制系统和电气系统最易受到雷 击，因此风机变流器设计过程中应考虑浪涌保护设计。 1 3 选题背景和本文的主要内容 在世界经济快速发展和激烈竞争的今天，新能源发电尤其是风力发电技 术日趋受到西方各国的普遍重视。风力发电技术以安全可靠、无污染、不需消 耗燃料、建设周期短、规模大小灵活以及可并网运行等特点，在能源、电力产 业中异军突起。由于风力发电系统大量使用了电力电子装置，不可避免的引入 电磁兼容性问题。变流器运行过程时产生的干扰信号不仅影响了变流器外其它 电子设备，如风电控制系统的正常工作，也将影响到变流器自身的稳定运行， 这些影响对风电机组的稳定运行构成严重的威胁。尤其是m w 级大功率风电 技术的发展和对风电机组可靠性要求的提高，风力发电用变流器的电磁兼容性 问题日趋突出，已成为影响交流器自身和整个风电机组安全、稳定运行的重要 因素之一，因此，对风力发电用变流器进行电磁兼容性研究和设计具有重要的 实际意义和研究价值。 变速恒频双馈风力发电系统由于能够实现有功功率，无功功率的前馈解耦 控制，对电网可以起到无功补偿的作用，而且能够最大限度捕获风能，提高发 电效率，已成为目前风力发电系统的主流方向【】【1 4 】。其结构如图1 1 所示。 其中由网侧交流器和转子侧变流器构成的交直交双向交流器，在追踪最大风 能的变速恒频运行中功率将在电网与发电机转子回路之间可逆的双向流动，当 亚同步时，网侧p w m 变流器工作在整流状态，转子侧变流器工作在逆变状态， 功率从电网通过双p w m 交流器馈入发电机转子。当朝同步运行时，转子侧变 流器工作在整流状态，网侧变流器工作在逆变状态，功率从发电机转子通过双 p w m 变流器回馈至电网，从而实现发电机转子滑差功率的双向流动。 l 电机转速 图1 - 1 变速恒频双馈风力发电系统结构图 课题来源于国家十一五科技支撑项目“1 5 m w 以上双馈式风电机组控制 系统及变流器的开发及产业化”( 编号：2 0 0 6 b a a 0 1 a 1 8 ) 。论文期间的主要工 作和研究内容如下： 1 以变速恒频双馈风力发电用交直交变流器为研究对象，详细分析了变 流器系统的主要电磁干扰源及干扰耦合路径，分析了网侧交流器输入端电源线 干扰和转子变流器输出端共模传导干扰产生的机理、传播路径及对系统的危 害，分析认为，变流嚣与电网之间主要通过电源线相互干扰是网侧变流器的主 要e m c 问题，变流器输出的共模电压是高频漏电流、轴电压及轴承电流产生 的源。初步建立了系统中i p m 模块、电缆、电感、电容等主要元件的高频干 扰模型，为系统的理解和解决变流器系统的电磁兼容性问题奠定了基础。 2 详细的论述了网侧交流器输入端电源线干扰和电机侧变流器输出端共 模传导干扰的解决办法，分析了e m i 电源线滤波器的性能及影响插入损耗的 因素，为m w 级风机交流器选择了电源线e m i 滤波器，针对电机变流器输出 端共模干扰的问题，分别对无源滤波技术、有源滤波技术和调制技术三个方法 做了详细的分析和推导，分析认为，采用共模电感的无源滤波技术由于结构及 控制简单，且成本较低，较为适合m w 级风机变流器。 3 详细分析了变流器控制系统的主要干扰源，从硬件和软件两个方面分 别对控制系统进行了抗干扰设计，论述了控制电路的p c b 设计，分析了高速 p c b 存在的主要问题，设计了控制系统p c b ，并应用c a d e n e es p e c t r u m 软件 对关键的信号线进行了电源完整性、信号完整性和电磁兼容性仿真，根据仿真 结果对电路板做适当调整。 4 针对m w 级风力发电系统中的长线传输及过电压问题，利用传输线理 4 论分析了长线传输时过电压产生的机理，并分别设计了转子侧和电机侧d u d t 抑制网络运用s a b e r 仿真软件对各种方案进行了仿真对比，仿真结果证明了 设计的合理性。 5 在分析雷电产生机理的基础上，依据现有的浪涌保护标准对风电系统 浪涌保护进行的分区，给出了风电机组系主要部件浪涌保护设计的方法，分析 了浪涌保护器件选择的原则，并为风机变流器选择了电源线和信号线浪涌保护 器。 通过1 5 m w 双馈系统实验表明，经过完整的电磁兼容性设计后，交 流器系统工作稳定，抗干扰能力增强。 5 2 1 引言 第二章风力发电用变流器系统e m c 分析 近年来，随着风力发电技术的快速发展，尤其是m w 级大功率风电技术 越来越广泛的应用，风电系统中电力电子装置的功率等级随之提高，所产生的 电磁兼容性问题日益突出，对系统的影响日趋明显。针对电力电子系统中电磁 兼容性问题，国内外学者做了大量的研究工作，主要集中在电磁干扰的典型特 征【2 】- 【6 1 、电磁干扰建模及传导干扰的分析预测 4 6 】【5 0 】和传导e m i 的抑制技术 i h - 7 0 等问题上。研究对象多为开关电源，变频驱动等较小功率的系统。专门 针对风力发电用变流器系统的电磁兼容性问题的文献则几乎没有。 本章借鉴国内外有关电磁兼容方面研究的成果，结合风电系统的应用，详 细分析了大功率双馈风力发电用交直交变流器系统的主要干扰源和干扰传输 的路径，分别就系统输入端电源线干扰及输出端共模干扰的产生，传播路径及 对系统产生的影响做了阐述，对风力发电系统中的长线传输时过电压的产生、 高频漏电流、轴电压及轴承电流等问题做了分析。最后给出了变流器系统中 的关键器件如i p m 模块，传输线等的高频模型。 2 2 变流器系统的主要干扰源及耦合路径 2 2 1 功宰器件开关产生的高d u d t 及d i d t 在电力电子器件通断瞬间，电压的跳变会在电容上产生很大的充电或放电 电流，实际的驱动电路和主电路都会存在杂散分布电容，大功率i p m 模块的 d u d t 一般约为几十k v i is ，l n f 的电容就可以产生几个安培的电流瞬态脉冲， 会对电力系统产生严重的电磁干扰，此外，转子侧变流器输出的含有高d u d t 的脉冲电压在经长线传输至双馈电机转子侧时，由于反射等原因会在转子侧产 生过电压，最大可达直流侧电压的两倍，这不仅会增加电机及变压器绕组的绝 缘应力。而且使绕组和转子集电环的寿命降低。开关器件在通断瞬间的电流变 化d i d t 会在杂散电感上感应出电压，在大功率驱动系统中，d i d t 可达几k a u $ ， 对于2 k a u s 的电流变化率，3 0 n i l 的杂散电感就可以激励6 0 v 的电压干扰。 大的电压、电流尖蜂不仅会加大开关管的开关损耗，造成电路的效率下降，发 热增加，散热器增大；还会增加开关管的电压、电流应力，使得选管容量的增 大，增加成本。另外，有较大的d i d t 的电流环路也是一个辐射源，将对空间 产生辐射电磁场。 2 2 2 雷电干扰 6 雷电是大气层中产生的一种频繁且强烈的电磁干扰源。地球上平均每秒钟 约发生1 0 0 次左右的雷击放电。我国实测到的雷电流最大可达2 0 0 k a 以上， 一般低于1 0 0 k a 。这样大的电流无论是沿建筑物钢结构、避雷线( 针) 流人大地 或是大地中的电流都可能在附近导线上感应出能量很强的浪涌，形成强烈的电 磁干扰。雷电的频谱较宽，一般为l k h z 5 m h z 。 兆瓦级风电机组风塔高度超过五六十米。发电机组和相关控制驱动设备均 处于高空位置极易受到雷击的损坏，主工作回路的大功率半导体器件以及复杂 的控制系统均有可能受到电磁脉冲的伤害，还有风力的不确定因素会导致发电 系统自己产生电磁冲击现象。i e ct r6 1 4 0 0 2 4 统计资料显示，德国1 9 9 1 1 9 9 8 年期间全部的1 4 9 8 台风电机组共发生7 3 8 起雷击故障事件，每年1 0 0 套机组 要发生8 起雷击故障事件，其中控制系统和电气系统是风电系统中最容易受到 雷击的部分。 主要的雷电形式及雷害情况有以下几种情况： 1 直击雷：指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应 和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。 2 感应雷：雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号 线路、埋地电力线、设备同连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中 间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率 比直击雷高得多。 ，3 雷击浪涌：由雷电在电缆上电击或感应产生的瞬变过电压脉冲称为浪 涌( s u r g e ) 。除雷击外，其它因素如系统开关切换、系统故障、电磁干扰等也 能产生浪涌。它包括电源浪涌、信号浪涌。雷击浪涌是变流器系统遭受雷击的 主要表现形式。 2 2 3 电网干扰 电网对系统的干扰主要有：过压、欠压、瞬时掉电、( i e c6 1 0 0 0 4 1 1 ) 、 浪涌、跌落、尖峰电压脉冲、射频干扰等。电网上的其它设备产生的干扰信号 会通过电源线传播到变流器，此外，交流电网的负载突变( 如电动机的起制动) 时在负载突变处产生周期为毫秒至纳秒级的高频振荡电压，它经过某些电路进 入控制电子线路再经过寄生电容进入大地构成闭合回路。图2 1 为三相电网相 电压突变和三相相电压短时间停电波形【4 ”。 7 ( a ) 三相相电压突变( b ) 三相相电压短时间停电 图2 - 1 三相电网相电压突变和短时间停电波形 2 2 4 强电干扰 m w 级风力发电系统工作电压、电流比较大，高电压、大电流产生的电磁 场辐射不可忽视，通过电源线和信号线等线路耦合到控制电路等弱电设备。严 重时可能造成控制电路中逻辑混乱，使系统无法正常运行。 此外，系统内部的强电元件如电磁铁、继电器、接触器和电动机等感性负 载在通断过程中产生瞬时过电压和冲击电流这也是高频振荡电压它不仅影响 驱动电路还会通过电源进入电子线路形成干扰。 2 2 5 主要的干扰耦合路径 干扰信号可以通过多种途径从干扰源耦合到敏感单元上，通常可归结为传 导耦合和辐射耦合两种方式。 2 2 5 1 传导耦合 干扰信号通过电源线、信号线和控制线等导体进行传播。是电力电子系统 中的主要耦合方式。传导干扰研究的频率范围为1 0 k h z 3 0 m h z 。 2 2 5 2 辐射耦合 元器件或导线内的电荷运动所产生的辐射电磁场，并以，= 名2 2 r 为界分为 近场( ， a 2 l r ) 和远场( ，五2 7 r ) ，电力电子系统中辐射耦合大多为近场 耦合。大功率交直交变流器主电路工作在高速切换状态下( d u d t 高达几十k v l ls ) ，励磁电流d i d t 在开关切换时变化量也很大，辐射干扰是不可避免的， 这种干扰可以通过以下四种方式传递： ( 1 ) 沿导线直接传导： ( 2 ) 通过干扰源导线和附近的其它导线之问的电容耦合； 8 ( 3 ) 通过导线之问的感应耦合； ( 4 ) 由于。天线效应”而由设备中的各种等效天线直接辐射。 辐射干扰的强度与干扰源的电流强度、干扰源的发射频率及装置的等效辐 射阻抗有关，一方面，辐射干扰会对系统本身的控制电路、通讯等产生影响， 另一方面，由于系统不是处于一个全封闭的金属外壳内，因此，会通过孔、缝 等耦合到其他设备。 2 3 变流器输入端传导电磁干扰分析 如图2 2 所示，交直交变流器的输入端( 即网侧p w m 变流器交流侧) 与 电网相连，网侧变流器的主要功能有两个：一是通过对输入电流的控制保持直 流母线电压的稳定，直流侧电压稳定是两个p w m 交流器正常工作的前提；二 是保证良好的输入特性，即输入电流波形接近正弦，谐波含量少，输入功率因 数符合要求。 图2 - 2 交流励磁用双p w m 变流器主电路 m w 级风力发电系统中，网侧交流器一般通过l c 或l c l 滤波器与电网相 连，交流侧电压主要是正弦基波，也存在一些高次谐波，由于电感的滤波作用， 高次谐波电舔产生的谐波电流非常小，因而网侧变流器交流侧输入电流非常近 似正弦。网侧变流器的控制目标之一是实现其工作在单位功率因数整流或逆变 状态。 输入端的主要e m i 问腹是变流器产生的干扰信号和电网上的干扰信号之 间的通过电源线相互影响。一方面电网上的高频干扰信号可能通过电源线干扰 交流器正常工作，另一方面是交流器产生的高频干扰信号也会通过电源线传播 到电网进而干扰到同一电源线上的其它设备，而且，电力电子产品必须满足相 关的电磁兼容标准。 2 4 变流器输出端传导电磁干扰分析 转子侧变流器输出电压中包含正、负序分量( 即差模电压) 和零序分量( 1 l p 共 模电压) 。其中，差模电压是系统的工作电压，它包括基波频率对应的三相对 称电压( 产生励磁电流) 和谐波电压( 基波和开关频率的倍数处出现的电压) 两种成分，谐波电压会产生附加损耗、转矩波动和噪声，同时还会污染电网， 9 当差模电压经过长线传输时，由于长线电缆的分布特性，即存在漏电感和耦合 电容，会产生电压反射现象，在电动机端产生过电压、高频阻尼振荡，进一步加 剧电动机绕组的绝缘压力【8 1 】_ 8 7 】；共模电压是三相电压中的共有成分，又称为 零序电压，不会产生励磁电流，但是由于其高频特性和电压的快速变化，将产 生有害的e m ，漏电流和轴承电流。此外，差模和共模信号均会在系统内部产 生辐射干扰。 图2 3 为转子侧输出脉冲电压波形，当这些信号施加在电机转子上时，产 生的转子电流o ，o 包括四种成分【幢】( 图2 - 5 ) ：( 1 ) 与转子工作频率相关的 “基波”分量，即转子绕组产生磁通的工作电流；( 2 ) 由开关频率谐波及其倍 频成分所产生的尖蜂电流乞；( 3 ) d u d t 与线与线之间寄生电容g 相互作用而 产生的充电电流i i i ；( 4 ) 幽d f 与线与地之间寄生电容c l 。相互作用产生的瞬态 图2 - 3 转子交流器输出电压波形 圈2 - 4 转子输出电流波形 图2 - 5 转子侧变流器输出电流分析 电流如的大小由电压幅值、电压上升时问、电缆的参数及。共同决定的， 由于它仅在线与线之间传输。因此不会干扰到其他设备，除非通过电缆产生电 磁辐射而影响到其他设备。在大功率系统中，其幅值相对于系统的工作电流而 言，可以忽略，不会产生很大的影响。但在小功率场合，其产生的影响是不可 忽略的。 电流f k 的大小由电压幅值、电压变化率、电缆的参数及c i 。等共同决定的， 从。的传播路径可以看出，它可能对连接到同一个地上的其它设备产生干扰。 由于三相电流基波分量之和为0 ，可以用一个电流探头把三相输出线卡在一起， 进而获得该电流波形。k 即系统中共模电流，也称做零序电流。它是产生共模 干扰的主要因素，后面将做详细分析。 2 4 1 差模传导干扰 1 0 转子侧变流器输出端产生的差模传导干扰主要体现在两个方面，一是差模 电压中的谐波成分会在双馈电机旋转磁场的作用下从转子耦合定子上，进而传 播到电网，；二是差模d u d t 对系统的影响，主要表现在长线传输时在电机端产 生的过电压问题。 2 4 1 1 谐波分析 双馈风力发电系统中谐波产生的原因主要有两类：一类是由电机本身的结 构所决定的固有齿谐波，发电机一般采用绕线式异步电机结构其定子和转子 各有三相统组，固有谐波主要表现为气隙空间谐波磁势和齿谐波磁势；另一类 是由交流励磁系统产生，发电机定、转子通过气隙紧密耦合，转子侧的谐波电 流会在定子侧感应出相应的谐波电势响应，经其定子侧放大后注入电网，谐波 成分十分复杂，是系统并网运行时主要的谐波源，特别是低次谐波电势将严重 影响输出电能质量。图2 - 6 为谐波造成的电压波形失真h ”。 变速恒频风力发电系统采用交流励磁方式后，谐波表现为以下特性 3 4 】： 1 属于电压源型谐波，表现为以载波频率为中心呈谐波群分布； 2 由于交流励磁转差率较小，励磁变流器输出谐波为低频甚至超低频； 3 当风力发电机转速变化时，风力发电系统本身不稳定。基波和谐波频 谱分布不固定，且谐波分布很广，由此造成系统谐波的不确定性； 4 在发电机定子侧产生大量空载谐波电压导致并网困难，并网后发电机 会向电网注入大量的谐波电流，造成电网的谐波污染，影响电网的电能质量。 系统所产生的谐波若不能得到有效抑制和滤除，会对风力发电系统产生很 多不利影响。主要有以下几方面； 1 增加电机的损耗和发热，影响电机的绝缘寿命，使发电衫咙行可靠性 降低； 2 使发电机产生噪声与振动，有时甚至会使整个系统产生振荡： 3 发电质量不符合国家标准，造成此项技术无法真正实用化。 ； 0 ：熙! ； m j ： _ a ： y： ：1 侉 ! ；一o ； ( ： 、 i ；u认 7 ； ( a ) i ”a ! ，! if 1 心-一年 图2 - 6 谐波造成的电压波形失真 2 4 1 2 长线传输时过电压分析 在双馈风力发电系统中，转子侧变流器输出需经过长线电缆传输至双馈电 机转子侧，由于电机与电缆阻抗不匹配会产生电压反射现象，在电动机端产生 过电压、高频阻尼振荡，这不仅会增加电机绕组的绝缘应力，而且使绕组和转 子集电环的寿命降低【蚰】_ 【 1 。研究表明，这种反射现象与逆变器输出脉冲的上 升时间以及电缆的长度有关。图2 7 ( a ) 为转子侧变流器输出电压波形，图 2 7 ( b ) 为经过长线电缆传输后到电机侧电压波形，可见，过电压最大值可达 输出电压的2 倍。 ( a ) 转子侧变流器输出电压( b ) 电机转子侧电压 图2 7 转子侧变流器输出电压及经长线传输后电机侧电压波形 2 4 2 共模传导干扰 三相电压型逆变器输出成分中含有共模电压，即零序分量，共模共模电压 与系统中的寄生电容相互作用，产生共模电流。这个电流通过电机内部的寄生 电容产生流入地线的漏电流。漏电流过大将对系统及电源产生电磁干扰；电动 机转轴上感应出的高幅值轴电压及轴承电流还会使电机轴承过早毁坏。 2 4 2 1 共模电压 司k | 2 图2 - 8 转子侧变流器输出共模电压 共模电压定义为逆变器输出中点对参考地的电位差，图2 8 为三相电压型 1 2 p w m 逆变器，k 、如可看作三相对称阻感负载或电机负载，由图2 - 8 可以得 到以下一组电压电流关系式： 式中： 玩，磁，为逆变器输出相电压 屯，为逆变器输出相电流 ( 2 一1 ) 玑为中点电压，即为共模电压 由( 1 ) 可得吮+ c ，6 + 玑一3 玑= ( 如+ 工。d ) ( i o + + ) ，由于+ + = 。，可得 共模电压表达式为 巩= 半 协z ， 圪即为共模电压，其波形如图2 - 9 所示。 图2 9 共模电压波形 2 4 2 2 共模电流及其路径 图2 1 0 共模电流波形 由前分析可知，共模电流。的大小与d u d t 及寄生电容如的大小有关，输 出线越长c k 越大、电机功率越大则c ；。越大、系统电压越高、电压上升时间 越快则d u d t 大( 大功率模块高达几k v ps ) 上述因素都将导致缸增大，此 外，屯还与载波频率有关，载波频率越高，则f k 越大。图2 1 0 为实测到的共 模电流波形。 图2 1 l 为共模电流的耦合通道，e ，为电机中性点n 与地之间的耦合电容， 也百织卜毽以石 三 + + + k k 以 如 = | | = u u u 一 一 一 眈 虬 瓯为连接电机的导线与地之间的分布电容，它们分别产生电流f 。和t 。变流 器外壳虚地与地之间一般均存在分布电容，大功率应用场合，变流器外壳与地 之间一般直接连