基于CLC电路的风电谐波提取技术研究①

张学友, 何 山,2, 王维庆,2, 陈 涛, 李文龙

(1.新疆大学电气工程学院，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830049;2.可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830049)

0 引 言

随着新能源发电的规模越来越大，风电机组以变流器为主的非线性辅助设备引起的谐波问题也越来越被重视。在谐波处理上一般采取减少电力电子元件发出的谐波以及在电网中加入滤波器措施，保证供给电网的电能质量。使用电力电子器件引起的谐波问题，在很长一段时间难以改变，滤波器是将谐波能量消耗掉，解决了并网前电路中的谐波含量过高问题，但会造成资源的浪费。

新能源发电导致电力电子设备引入谐波，文献[1]在5kW模拟风机条件下得出直驱风机主要谐波次数为五次(约为基波的9%)和七次。(约为基波的5%)；双馈风机并网处谐波以五次为主，在不装设滤波装置时谐波电流畸变率达到13.72%，谐波的治理方式尤为关键，一般思路是采用滤波技术消除，而本文的思路是提取谐波利用。

文献[2]对两种谐波提取方案进行比较，第一种采用无源滤波器运行原理的谐波分离，虽然能提取谐波，但谐波分离不彻底，畸变率仍然较高；第二种采用基波磁通补偿原理进行谐波提取，虽然提取效果比第一种方案好，但提取到的谐波融合在一起，只是将基波和谐波分离。文献[3]联合基波LC谐振电路与并联谐波储能电路，对谐波电流进行提取并储存，这种方式虽很新颖，但谐波电流通过二极管电路时，未考虑到基波电流也会通过二极管电路，利用谐波电能的同时，削弱了基波电能。文献[4]采用并联谐波提取装置，基波磁通相互抵消，谐波磁通无法抵消，被感应到变压器的二次侧，提取方法简单明了，但无法做到谐波都进入无源滤波电路中，需加装谐波隔离装置。

文中在LC滤波器原理基础上，利用LC谐振原理，使得该通路对某次谐波阻抗较小，对基波阻抗较大。为了使谐波提取的效果更好，设计CLC电路达到提取谐波的效果，实验证明在LC电路上并联电容支路，谐波提取效果更好。

1 谐波提取原理与电路分析

1.1 风电场谐波分析

直驱风机的谐波大部分来源于变流器，以五次和七次为主[5]；双馈风机谐波一部分主要来源于转子变流器，另一部分由于定子侧绕组直接并入电网，谐波来源于气隙磁场，这部分定子侧产生的谐波在并网之前和变流器产生的谐波会叠加在一起，五次谐波含量最为丰富。

变流器中包含较多的非线性电力电子元件，导致输出的交流电流中夹杂着很多谐波[6]，谐波电流在线路阻抗上会产生电压谐波，传统处理方式是根据不同次数谐波含有量采取无源和有源滤波器相结合，故风机谐波的处理主要集中在并网侧。

风速稳定时，风机发出的电能中所包含的谐波是确定的[7]。对于不同次数的谐波需采用不同的处理方式，谐波次数含量少的可提供通路，连接电阻，消耗谐波电能；含量多的可提取利用：给谐波提供通路，对相应的参数进行设计，在提取谐波的同时避免谐振而影响电能质量。

1.2 谐波电能利用的理论分析

满足周期信号条件的谐波可以表示为：

(1)

(1)式中fn为n次谐波的频率；An、φn分别为n次谐波电压的幅值、相位；N为谐波次数。得到电网A、B、C三相中任意一相的基波电压和电流分别为：

u1(t)=Unsin(2πf1t+φ1)

(2)

i1(t)=Insin(2πf1t+Ψ1)

(3)

由此得到基波含有的电能为：

p1(t)=Unsin(2πf1t+φ1)Insin(2πf1t+Ψ1)

(4)

则含有谐波电能的电流可表示为：

in(t)=Insin(2πf1t+Ψ1)+Iksin(2πfnt+Ψi)

(5)

Ψi为i次谐波电流相位，i取1时，为基波电流相位，此时输电线路谐波功率为：

pk(t)=pb(t)-p1(t)=pb(t)-u1(t)i1(t)

(6)

pk(t)为所有谐波的功率之和，pk(t)在谐波电流和基波电流同向时，大于零；反之，小于零。pb(t)为输电线路总功率，u1(t)i1(t)为基波功率。随着新能源装机的增加，pk(t)的值会越来越大，谐波功率占比较大，新能源滤波设备使用时间过长也可能会造成滤波效果变差，甚至有可能产生谐波。

1.3 系统电路结构

如图1所示，在风机并网侧低压处加装谐波提取电路，电路不装设滤波器，对比提取谐波装置装设前后电路中的电流波形，来检验谐波提取装置的效果，Udc为变流器网测直流母线电压。

图2中，Es为单台风机并网等效的功率源；电感L1、电容C1串联构成基波谐振电路；R1为线路电阻，R2为负载电阻；Cm、Cn均为滤波电容；Ln为谐波谐振电感。

根据谐振公式可得五次谐波电感和电容的关系为LC=1/25ω2，表明五次谐波的电感和电容是定量的反比关系。在非线性负载增减时，五次谐波含量会发生变化，谐波电流的大小和幅值随着时间在变化，但频率不变，幅值改变。在保证提取电路容量足够的情况下，利用LC串联谐振的原理提取谐波电流电能。

图1 谐波利用装置安装位置

图2 谐波提取电路图

2 谐波提取仿真

2.1 谐波提取电路参数设定

以五、七次谐波为例，谐波频率在串联谐振情况下公式为：

(7)

n取5时，为五次谐波，XL=ωL,XC=1/ωC ，ω为基波角频率，依据五次调谐电抗器的电抗率是4%，取C5=6μF，则L5=0.067616H。

n取7时，是七次谐波，七次调谐电抗率为2%，取C7=80μF，则L7=0.002587H，C2和C5相同，C2=6μF。C3和C7相同，C3=80μF。R1、R2、R3、R4取值分别为0.01Ω、100Ω、100Ω、100Ω。

由式(7)知，当n取1时，可得到基波L1C1的取值，已知L1=0.0315H，则C1=321.9809μF。电感的选择对于电流的稳定起重要作用，电容选大点可以阻碍谐波通过，整理得到谐波提取电路参数值如表1。

表1 谐波提取电路参数值

2.2 单相LC谐振原理谐波提取

将此谐波提取装置并联在风机变流器逆变侧和风机升压变之间，模拟单台风机运行参数，设定变流器逆变侧输出电压690V，频率为50Hz，初始电流为1367A，畸变率为0.01%。给定E2为50A，E3为20A。在Simulink仿真平台下，建立仿真模型，可视5次谐波和7次谐波稳定，模拟5次和7次谐波输出。由文献[1]知，风机在未投入滤波器滤波之前，谐波畸变率达到了13.72%，而这部分谐波有近一半为5次和7次谐波，这部分能量被利用起来，很可观。

谐波提取电路对于谐波呈低阻抗，可以有效地将谐波过滤掉，当同时存在5次和7次谐波时，避免7次谐波对5次谐波放大作用，先投入5次调谐支路，再投入7次调谐支路，采用单相变压器提取出谐波电能。

如图3所示，提取到的5次谐波电流为50.39A，基波电流为1.342A，畸变率为0.54%，提取效果较好。

图3 提取到5次谐波电流波形

图4 提取到7次谐波电流波形

如图4，提取到7次谐波电流值为21.44A，基波电流为17.36A，畸变率为6.79%，效果不太理想。电路中电流畸变率由3.97%下降到0.83%，无源滤波器原理谐波提取方法虽然能使电路中的电流畸变率达到要求，但在5次和7次谐波中检测到基波，导致基波电能的浪费。

在图5中，5次、7次谐波电流被提取后，输电线路中电压为676.6V，电流为1353A，与初始电压电流值相比略有下降。

图5 谐波提取后线路中电压、电流波形

2.3 基于单相CLC电路的谐波提取

在图6中，E1、E2、E3分别为基波电压源、5次谐波电流源、7次谐波电流源。L1C1电路不影响基波电流通过，阻碍谐波电流向E1侧流过，迫使谐波流向调谐电路。

在未加入调谐支路时，基波和谐波都会流入供电系统，影响电能质量。加入并联调谐电路[8]后，谐波(以5、7次谐波为例)电流会通过该电路，电感、电容串联支路连接变压器，通过变压器分别将5次和7次谐波分离开来，在二次侧提取到谐波电流电能。

图6 谐波提取电路原理图

以5次和7次谐波为研究对象建立模型，暂不考虑其它次谐波。L1C1电路对基波电流无影响，但有较大阻抗阻碍谐波电流通过，迫使谐波电流流向谐波提取装置。为了使提取效果较好，需满足：

①在基波状态下，Cm支路阻抗应比Cn、Ln侧支路总阻抗大；

②满足谐振条件，Cn容抗应等于Ln感抗与三绕组变压器感抗之和；

③谐波能够提取出应满足：

(RT+jωLT-1/jωCm)Im=

(RT+jωLT-1/jωCn+jωLn)In

(8)

(8)式中，RT为变压器电阻；ωLT为变压器感抗；In为电容Cn和电感Ln支路电流；Im为Cm侧电流。要确保不提取到基波而又能很好地提取谐波，在满足(8)式时，变压器并联在电路中的两个支路电容器基波电流一样，匝数相同。变压器处基波磁通相互抵消，二次侧就不会提取到基波电流电能。

谐波提取系统是在串联谐振的基础上，通过调整参数让特定次数谐波通过[9]，变压器一次侧绕组电流分为两部分，一部分电流经电容器Cm和变压器T流入零线，第二部分电流经Cn、Ln以及变压器T流入零线。

如图7，变压器A端连接电容Cm，变压器B端连接电感Ln、电容Cn支路，则变压器AX侧所在的支路为不含有谐波的无功电流，BX侧支路为含有谐波无功电流，两个支路的基波无功电流相同，基波磁通方向相反，相互抵消。即基波磁通相互抵消，而谐波磁通无法抵消，感应到变压器二次侧即ax侧，从而谐波能量被提取出来。

图7 并联变压器电路

变压器绕组变比为1:1:1，则保证谐波电流能够理论提取出来，输电线路应满足：

nω(Li+Ln)=1/nωCn

(9)

其中n为谐波次数，ωLi和ωLn分别为变压器感抗、谐振支路感抗，ωCn为谐振支路容抗。相同条件下，在谐振电路上并联相同的电容，由基波等电位原理，基波磁通相互抵消，而谐波磁通存在谐振支路而无法抵消，被感应到变压器二次侧。这种方法不会提取出基波电能，CLC电路一方面对基波有着隔离的作用，另一方面能够提取出谐波电能，提取效果见图8、图9。

图8中，在CLC电路中，变压器二次侧提取到的5次谐波电流为50.85A，基波电流为0.06781A，畸变率仅为0.11%。

图8 提取到5次谐波电流波形

图9 提取到7次谐波电流波形

图9中，提取到7次谐波电流大小为19.83A，基波电流为0.3574A，THD为0.42%，效果较好。

在5次、7次谐波电流被提取后，输电线路中电压为676.6V，电流为1353A，相较于无源滤波器的谐波提取后电路中的电压和电流值，CLC原理的电路中电压和电流几乎一致。

3 仿真结果及分析

3.1 仿真分析

对单台风机未并网前的谐波分析，发现5次和7次谐波较多，采用两种方法对谐波进行分离，一方面降低风机并网前谐波含量，另一方面将谐波分离出来二次利用。两种方法都基于Matlab仿真系统，建立模型来分析效果好坏。第一种方法采用LC谐振原理来实现谐波利用，电源侧的电流THD由3.97%降为0.83%，虽然较为理想，但提取出的5次和7次谐波中都包含有基波[10]，造成基波电能损耗。

第二种方法在无源滤波器原理的基础上并联电容，采用三绕组变压器[11]提取谐波，谐波提取后电路中电压、电流和第一种方法接近，但提取出的5次和7次谐波中基本都不含有基波，同时也缓解了7次谐波放大5次谐波的问题。谐波电流提取后，电源电压并未出现波动，电路电流略有下降，可见谐波提取装置未影响线路电压，电流也只是提取后略有改变。

3.2 谐波提取后电路中频率分析

采用双二阶锁频环[12]来实现谐波的抑制以及对基波频率的自动跟踪。为了能够很好地反映出线路频率[13]，考虑谐波提取后对电路的频率影响，如图10。

在0.5s的时候投入双二阶锁频环控制方法，0.5s之前存在谐波和基波，控制方法加入(即0.5s时)后，由于谐波被提取出来，线路中频率波动变为平稳的50Hz，满足用电要求。

图10 谐波提取后线路频率变化

4 结 语

结合风机谐波特点，对比LC电路谐波提取原理，设计出CLC谐波提取电路并联在电路中，通过Matlab仿真系统检验了谐波提取的效果。在风电规模日益增大的今天，谐波能量的合理处理尤为重要，随着风电技术的不断进步，风能利用率不断提高，谐波处理技术日趋先进，风电并网电能质量越来越高。