双馈风力发电中网侧LC滤波器的控制研究

单谷云， 倪正人， 黄国强

(上海电气输配电集团，上海 200042)

双馈风力发电中网侧LC滤波器的控制研究

单谷云， 倪正人， 黄国强

(上海电气输配电集团，上海 200042)

提出在双馈风力发电中使用LC滤波器取代LCL滤波器，在不影响电能质量的基础上，可以节省空间和成本。根据不同的工况滤波电容可采用星形或者三角接法。针对接入电容可能引起的谐振现象，采用了电网电压采样的方法来抑制谐振，并在离散域中分析了增益系数值和采样控制周期对系统稳定性的影响。最后仿真和实验证明了方法的可行性。

风力发电；双馈感应电机；LC滤波；PWM整流器；谐振

0 引 言

LCL结构的滤波器已广泛应用于双馈风力发电等大功率应用场合，包括ABB在内的公司也都采用该结构。LCL结构的滤波器具有电感量小，高频滤波效果好等优点[1]。但LCL滤波器占用空间较多，成本较高。同时LCL滤波器固有的谐振问题，会导致电压和电流波形的畸变，需要增加有源或者无源阻尼来抑制谐振[2]256-261，这增加了系统设计的成本和难度。

本文提出使用LC滤波器取代LCL滤波器，在不影响滤波效果的前提下，减少滤波器占用的空间和成本。针对加入电容有可能引起的系统谐振，引入电网电压采样来抑制谐振。最后通过仿真与实验验证了所述方法的有效性。

1 系统原理

在双馈风力发电系统中，网侧由一台主变压器供电，变压器本身具有阻抗。当并网断路器合上以后，双馈感应电机定子侧的漏感与LCL滤波器并联，如图1所示。以上两个因素会使得等效电路中前一个电感值发生变化，导致系统谐振频率的偏移。工程中使用的供电变压器阻抗与滤波器电感具有相同的数量级，在不影响原系统性能的基础上，可以省略前一个电感，改为LC结构。LC结构滤波器中的电容可根据现场情况采用三角接法或者星形接法，如图2中(a)(b)所示。

角接电容可以吸收线电压间的高频分量，改善线电压波形，可用在图3(a)中的风电供电系统中。市场上角接电容产品比较丰富，成本相对较低。而在图3(b)所示采用主辅一体的多绕组变压器供电时，采用星形接法效果更好。星形接法可将PWM整流器产生的相间共模电压通过接地系统就近引入大地，阻止其流动至供电电源端，产生串扰，影响供电电源和其他设备的电能质量。

图1 双馈风力发电系统单线图

图2 基于LC滤波的PWM整流器拓扑结构

图3 主辅供电变压器接法示意图

图4 单相等效电路图

2 数学模型

LC结构的滤波器省略了

原来LCL滤波中靠近电网侧的电抗器，但考虑到供电变压器漏感的因素，模型等效于LCL结构。其单相等效电路图如图4所示。

等效电路的电流电压传递函数为

(1)

3 控制算法设计

工程上比较常见的抑制谐振的方法主要包括硬件和软件两种。硬件方法主要是在电容回路串联电阻，软件方法主要是通过构造负谐振峰来将谐振点的增益减小[2]261-269。硬件方法会增加系统的损耗和发热，一般采用软件方法来抑制谐振。当采用LCL结构滤波器时软件方法抑制谐振需要采样电容上的电压[3-4]或电流[5]，或者采用电压重构和磁链估算的方法[6]，这些都增加了系统设计的成本和难度。LC滤波器的电容是并联在电网侧，电容电压等于电网电压，可根据电网电压来估算电容电流，将估算电流反馈到输出端，起到抑制谐振的作用。但电容电压和电流之间存在微分关系，微分环节不易实现，会引入噪声，所以考虑采用超前校正环节来替代微分环节。由于采用双环控制时，电压外环的带宽一般是电流内环的1/5到1/10，分析时主要考虑电流内环的影响。电流内环采用PI控制器，其传递函数：

(2)

当采用电网电压的反馈时，电容电压和PWM整流器桥臂侧电压之间的传递函数：

(3)

使用超前环节来校正，其传递函数：

(4)

图5 无校正环节的电流内环控制框图

图6 有超前校正环节的电流内环控制框图

图7 无校正和有超前校正环节电流内环开环伯德图

4 仿真与实验

在MATLAB中搭建仿真模型，仿真参数如下：网侧电压690 V，直流电压1 100 V，PWM整流器桥臂侧电感L为0.3 mH，滤波电容C为200 μF，等效电感L1为0.2 mH，开关频率3 kHz，控制周期100 μs。根据图5和图6所示的控制框图画出该系统无校正环节和有超前校正环节(Kd=0.08)的电流内环开环伯德图，如图7所示。

图8 Kd取不同值时电流内环根轨迹图

从图7可以看到，增加超前校正环节后，原系统的幅频相频特性基本没有改变，谐振频率附近的幅值增益被限制到了0 dB以下。超前校正环节中系数Kd的不同取值，将影响系统的稳定性。图8表示了Kd的取值在0到0.2之间变化时，电流内环的根轨迹。当Kd=0.08时，系统具有较大的稳定裕度和较好的动态响应。当Kd逐渐增大或者减小，会有极点落在单位圆外，此时系统是不稳定的。

图9 Kd=0.08，不同L1时的根轨迹图

图10 Kd=0.02，不同L1时的根轨迹图

图11 Kd=0.08，控制周期变化时的根轨迹图

双馈风力发电系统中，等效电感L1具有不确定性，故用根轨迹图来讨论等效电感L1不同时对于系统的影响。图9和图10分别表示等效电感L1从0 mH增大到0.4 mH，Kd取不同值时电流内环根轨迹图。在不改变超前校正环节参数Td和α的前提下，选择合适的Kd值能够在等效电感量变化较宽的范围内保持系统的稳定，但在某些电感量范围内，该Kd值会导致系统的不稳定，需要作相应的调整。

此外，控制周期对于系统的稳定性也有极大的影响[7]。图11是Kd=0.08，控制周期从500 μs变化到100 μs时电流内环根轨迹图，从图中可以看到在选定Kd值以后，控制周期减小，极点朝圆心方向移动，有助于提高系统的稳定性。

图12 单L滤波网侧电压波形

搭建与仿真参数一致的实际系统。双馈风力发电系统中网侧PWM整流器采用单L滤波，LCL滤波和LC滤波时的电压电流波形如图12，13，14所示。采用LC滤波后，PWM整流器产生的高频开关分量被电容旁路，电网电压波形与LCL滤波相比差别不大，增加的超前校正环节有效抑制了系统的谐振。

图13 LCL滤波网侧电压波形

图14 LC滤波网侧电压和电容电流波形

5 结束语

本文研究了双馈风力发电系统中网侧LC滤波器及其控制算法，与LCL滤波相比，结构更为简单，利用电网电压采样来抑制谐振无需额外增加传感器，节省成本，具有较好的实用价值和应用前景。

[1] MACRO LISERRE,FREDE BLAABJERG,STEFFAN HANSEN.Design and control of an LCL-filter-based three-phase active rectifier[J].IEEE Transactions on Industry Application,2005,41(5):1281-1291.

[2] 张兴,张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2012.

[3] 郭希铮,游小杰,李欣然.LCL滤波的三相电压型PWM整流器无传感器有源阻尼控制方法[J].电工技术学报,2011,26(1):91-96.

[4] 张宪平,李亚西,林资旭,等.LCL滤波的电压型PWM整流器的有源阻尼控制[J].电气传动,2007,37(11):22-25.

[5] 王浩宇,宋文祥,曹大鹏,等.基于LCL滤波的三相电压型PWM整流器研究[J].电气传动,2015,45(3):16-20.

[6] 谭理华,张兴,杨淑英,等.陷波算法实现LCL变流器网侧电流直接控制[J].电力电子技术,2010,44(4):53-55.

[7] 尹泉,李喆,王庆义,等.桥侧反馈的LCL型PWM整流器无阻尼控制研究[J].电气传动,2014,44(12):36-39.

A Study on the Control of the Grid-side LC Filter in Doubly-fed Wind Power Generation

Shan Guyun, Ni Zhengren, Huang Guoqiang

(Power Transmission and Distribution Group, Shanghai Electric, Shanghai 200042, China)

This paper proposes replacement of LC filter by LCL filter in doubly-fed wind power generation to save space and cost without affecting electric power quality. Star or delta connection of the filter capacitor could be adopted according to different working conditions. As resonance might be caused by capacitor connection, grid voltage is sampled to suppress resonance, and the impact of gain factor and sampling control period upon system stability is analyzed in the discrete domain. Finally, simulation and experimental result prove the feasibility of this approach.

wind power generation； DFIG；LC filter； PWM rectifier； resonance

TM461

A

1000-3886(2017)04-0032-03

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.010

定稿日期: 2016-09-29

单谷云(1983-)，男，江苏无锡人，硕士，工程师，主要研究方向为双馈风力发电技术。 倪正人(1979-)，男，上海人，硕士，工程师。 黄国强(1988-)，男，江西人，本科，工程师。