考虑母线槽谐振效应的机侧变流器过电压研究

王冉旭，何 山，2，邱瑞东，郑海旺

(1.新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐市 830049；2.可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830049)

1 引言

有效抑制变流器过电压，可保障变流器安全，提高系统运行可靠性，防止系统崩溃[1]。机侧变流器一般安装在塔筒底部，通过母线槽或电缆与顶部风机相连[2]。风电动力电缆通常用铜作线芯，但我国铜储量不高，且年消耗量较大，其成本问题越来越突出[3]。电缆受结构和材料制约，其载流量小于630 A，在风机机组容量较大时，需数十根电缆并联使用。而单根风电专用母排载流量可达5000A，无论机组大小，单台风机每相只需两根[4]。目前，电缆在风电现场安装，装设难度较大，而母线槽可在塔筒制造厂预安装，敷设简单[5]。除此之外，母线槽在耐受电流、绝缘能力、使用寿命等方面均优于动力电缆，市场占有额逐年加大，研究成果越来越多，将被更多地应用到风力发电系统中[6]。

文献[7]指出电机与变流器经长电缆连接时，由于电缆对地电容和系统高次谐波影响，在电机端产生谐振过电压，但理论未用于母线槽模型；文献[8，9]提出一种新型有源箝位抑制方法和一种新型过电压保护电路，从变流器内部实现 IGBT过电压抑制，但未研究外部因素对变流器过电压的影响；文献[10]指出当IGBT同时关断三相电流时，机侧变流器处产生的三相过电压不同，但未对其进行分析。

综上所述，由于母线槽存在分布参数RLC，引入RLC串联谐振理论对机侧变流器产生过电压的原因进行分析。利用ANSYS有限元仿真软件，搭建风机并网模型，研究IGBT关断三相电流时，机侧变流器端部三相过电压不同的原因。因母线槽分布参数RLC与其结构有关，结合母线槽母排温升情况，对母线槽结构等方面进行优化。为分析机侧变流器过电压提供理论支撑，同时为母线槽设计提供经验。

2 电路模型等效和RLC串联谐振原理分析

2.1 电路模型等效

母线槽参数模型分为两种：一是集中参数模型；二是RLC分布参数模型。由于永磁风力发电机并网时变流器采用 PWM逆变器电路，PWM脉冲波中含有高频成分，因此需要建立母线槽RLC分布参数模型。用开关模拟IGBT，进而研究外部电路参数在机侧变流器过电压处产生的作用。简化后模型如图1所示。当IGBT关断时，电流为零，但电压依然存在。A点与IGBT端部处于同电位，即电容两端电压为机侧变流器端电压。

图1 电路等效模型

2.2 RLC串联谐振原理

根据相量法，电路输入阻抗Z(jω)为

(1)

频率特性为：

(2)

(3)

其中ω为角频率，φ(jω)为相角，|Z(jω)|为阻抗幅值。

(4)

此时电抗电压UX(jω0)=0，由电抗值乘电流值得：

(5)

将电流I(jω0) 带入可得：

(6)

由式(6)得：

(7)

工程上将式(7)定义为品质因数Q，即：

(8)

用式(8)表示电容两端电压为：

UC(jω0)=QUS(jω0)=QUS(jω)

(9)

用正弦量表示A相电压源为：

Usa(jω)=Uasin(2π*f*T+φπ/180)

(10)

综上，可得以下结论：

1) 母线槽存在分布参数RLC，可用RLC串联谐振理论分析；

2) 变流器采用 PWM逆变器电路，PWM脉冲波含高次谐波成分较多，谐波接近或达到电路固有频率时，在电路中发生电压谐振，造成机侧变流器端部过电压；

3) 机侧变流器端电压为电容两端电压，由式(9)知电容两端电压为Q倍电源电压，即机侧变流器产生高于电源电压Q倍的过电压；

4) 由式(9)可知机侧变流器端电压与品质因数Q有关。故可通过减小品质因数Q抑制机侧变流器过电压；

5) 根据式(10)知电源电压是关于电压幅值U、电源频率f、时间T和相位φ的正弦函数。发电机在出厂时，其额定电压、频率和相位已经确定。当IGBT关断时间T不同时，对应三相电源电压值不同，造成机侧变流器三相过电压不同。

3 仿真参数、模型及结果

3.1 母线槽主要参数

3.2 永磁风力发电机主要参数

额定功率PN=1.5MW，相数m=3，额定电压UN=660V，额定频率f=12.69Hz，额定转速nN=17.3r/min，定子槽数Z=576，极对数p=44。

3.3 仿真模型

ANSYS Workbench仿真平台集成电、磁、流体、热学等为一体，可用于不同类型的耦合分析。

在RMxprt Design中输入永磁风力发电机模型参数，经软件划分为有限元模型后导入至Maxwell Design与Simplorer联合，进行电磁耦合仿真。Simplorer软件中有常用的电压源、电阻、电感和电容等模块，如图2发电机外电路模型所示。

图2 发电机外电路模型

由图2知IGBT关断三相电流时，三相电容C4、C5、C6为串联形式，根据基尔霍夫电压定律，机侧变流器三相过电压和为0。

风机并网时，电机相序、幅值、频率、相位需与电网一致。电网三相电压源幅值为538.872V，频率为12.69Hz。相位采用角度制分别为-39.87°，-159.87°和-279.87°，如图2中E1，E2，E3所示。

进行热-流-固耦合(FSI)仿真。首先，在SolidWorks软件中建立母线槽三维模型；其次，经 ICEM CFD软件划分为有限元模型后导入至 CFX软件中进行前期处理；最后，调用CFD求解器进行后期处理。

3.4 仿真结果

如图3所示，在IGBT关断三相电流时，可得机侧变流器端部ABC三相过电压分别为1033.9V，2826.1V，-3860.0V。相对额定电压，机侧变流器端部产生近6倍过电压，可造成机侧变流器IGBT元件损坏。

图3 机侧变流器端部电压曲线

风电母线槽常用三相五线制，两侧分布多孔散热窗，利用空气对流散热。图4为母线槽温度分布云图。

图4 母线槽温度分布

仿真结果分析：

1)IGBT关断三相电流时，机侧变流器三相过电压和为0。

2)三相电流关断瞬间，电源电压不同，造成机侧变流器三相过电压不同。

3)母线槽三相母排中B相散热较差，温升较高。除此之外，B、C相母排端部温升较高，应加强端部绝缘。

4 优化建议

4.1 优化关断时间T

根据2.2节知三相电压源为关于时间的正弦函数，取A相电压值在0-U之间进行仿真分析。T0为电压值为0时刻，T7为电压值为U时刻，间隔为1/28周期。结果如图5所示。

图5 关断时间与过电压倍数关系

由图5知，在A相电源电压最大时关断三相电流，其过电压倍数最大。在A相电源电压为0时关断三相电流可完全抑制其过电压。由于三相电源电压均呈正弦形，当某相过电压为0时，其余两相过电压不为0。因此，工程建议避免在某相电源电压值最大时关断电流，可在某相电源电压为0时关断电流。

4.2 优化品质因数Q

4.2.1 母线槽间距对过电压影响及其优化

密集型母线槽在温差湿度较大地区，母排和绝缘层周围易形成凝露，造成绝缘老化，且在塔筒晃动中，由于无绝缘垫块，导体之间相互摩擦使绝缘层易破裂，造成严重事故。故当前风电专用母线槽以空气型为主。

图6 间距与过电压倍数曲线

根据仿真结果知：当母排间距增大时，过电压倍数同时增大，较大的电压可造成机侧变流器损坏，故母排间距需尽可能小，工程建议取值在11-16mm之间。但间距过小易恶化母排散热，需协同母排温升进行优化设计。母排间距与温升关系如图7所示。

图7 母排间距与温升关系

由图7可知，母线排温升存在较优间距16mm。母排温升随间距减小而增大，小于12mm时，温升急剧增大，一旦发生故障，高温易造成母线槽烧毁或绝缘老化。母排间距大于16mm时，增加母排间距散热效果不明显。故母排间距在12-22mm时，可保证母线排在温度耐受极限值以内。但据图6知，增大母排间距在IGBT关断三相电流时产生较高过电压，易造成机侧变流器损坏。综上所述，空气型母线槽母排间距优化值在12-16mm之间。

4.2.2 母线槽外壳对过电压影响及其优化

母线槽外壳尺寸由高度、宽度和厚度三个因素确定，其中宽度和厚度对阻抗影响相对较小，优化幅度不大。受到涡流损耗和磁耦合影响，母线槽外壳高度增大，其阻抗降低，导致品质因数Q减小，对机侧变流器过电压产生抑制作用。取外壳高度在120-280mm之间，时间为1s时仿真，如图8所示。

图8 外壳高度与过电压倍数曲线

除此之外，母线槽外壳高度与母排温升之间的关系如图9所示。

图9 外壳高度与温升关系

由图9知，母线槽外壳高度增加其过电压倍数和温升均有所下降，综合考虑安全、磁场屏蔽、阻抗和散热等因素，工程上建议外壳高度在200-240mm之间。

5 改善建议和抑制措施

由理论研究和仿真结果知，关断时间T和品质因数Q对机侧变流器过电压均有影响。因此，对风力系统运行和母线槽设计提出改善建议：

1)应避免在某相电源电压最大值处，关断三相电流。可在任一相电源电压过0处关断三相电流，保证其中一相过电压为零；

3)母线槽外壳高度与其阻抗和温升有关。高度增加其阻抗和温升均下降，可抑制机侧变流器过电压，保护母线槽安全，故母线槽外壳高度应适度加大，工程建议在200-240mm之间。

由于过电压易造成机侧变流器IGBT击穿烧毁，同时反射到机端，对电机绝缘造成破坏。因此，提出抑制措施：

1)变流器内、外和发电机均应加装保护措施。应加强电机绝缘，同时在电机端安装避雷器；

2)在机侧变流器处加装滤波器将IGBT关断时高频脉冲波滤除，可有效抑制变流器过电压。

6 总结

通过研究RLC串联谐振理论，结合ANSYS Workbench有限元仿真平台，对机侧变流器过电压进行了综合分析。同时，在母线槽结构和关断时间等参数方面提出了优化建议；针对变流器和发电机提出了有效的保护措施；为母线槽设计和变流器保护提供了经验。