基于CLC電路的風(fēng)電諧波提取技術(shù)研究①

張學(xué)友, 何 山,2, 王維慶,2, 陳 濤, 李文龍

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830049;2.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830049)

0 引 言

隨著新能源發(fā)電的規(guī)模越來越大，風(fēng)電機(jī)組以變流器為主的非線性輔助設(shè)備引起的諧波問題也越來越被重視。在諧波處理上一般采取減少電力電子元件發(fā)出的諧波以及在電網(wǎng)中加入濾波器措施，保證供給電網(wǎng)的電能質(zhì)量。使用電力電子器件引起的諧波問題，在很長一段時間難以改變，濾波器是將諧波能量消耗掉，解決了并網(wǎng)前電路中的諧波含量過高問題，但會造成資源的浪費(fèi)。

新能源發(fā)電導(dǎo)致電力電子設(shè)備引入諧波，文獻(xiàn)[1]在5kW模擬風(fēng)機(jī)條件下得出直驅(qū)風(fēng)機(jī)主要諧波次數(shù)為五次(約為基波的9%)和七次。(約為基波的5%)；雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)處諧波以五次為主，在不裝設(shè)濾波裝置時諧波電流畸變率達(dá)到13.72%，諧波的治理方式尤為關(guān)鍵，一般思路是采用濾波技術(shù)消除，而本文的思路是提取諧波利用。

文獻(xiàn)[2]對兩種諧波提取方案進(jìn)行比較，第一種采用無源濾波器運(yùn)行原理的諧波分離，雖然能提取諧波，但諧波分離不徹底，畸變率仍然較高；第二種采用基波磁通補(bǔ)償原理進(jìn)行諧波提取，雖然提取效果比第一種方案好，但提取到的諧波融合在一起，只是將基波和諧波分離。文獻(xiàn)[3]聯(lián)合基波LC諧振電路與并聯(lián)諧波儲能電路，對諧波電流進(jìn)行提取并儲存，這種方式雖很新穎，但諧波電流通過二極管電路時，未考慮到基波電流也會通過二極管電路，利用諧波電能的同時，削弱了基波電能。文獻(xiàn)[4]采用并聯(lián)諧波提取裝置，基波磁通相互抵消，諧波磁通無法抵消，被感應(yīng)到變壓器的二次側(cè)，提取方法簡單明了，但無法做到諧波都進(jìn)入無源濾波電路中，需加裝諧波隔離裝置。

文中在LC濾波器原理基礎(chǔ)上，利用LC諧振原理，使得該通路對某次諧波阻抗較小，對基波阻抗較大。為了使諧波提取的效果更好，設(shè)計CLC電路達(dá)到提取諧波的效果，實(shí)驗(yàn)證明在LC電路上并聯(lián)電容支路，諧波提取效果更好。

1 諧波提取原理與電路分析

1.1 風(fēng)電場諧波分析

直驅(qū)風(fēng)機(jī)的諧波大部分來源于變流器，以五次和七次為主[5]；雙饋風(fēng)機(jī)諧波一部分主要來源于轉(zhuǎn)子變流器，另一部分由于定子側(cè)繞組直接并入電網(wǎng)，諧波來源于氣隙磁場，這部分定子側(cè)產(chǎn)生的諧波在并網(wǎng)之前和變流器產(chǎn)生的諧波會疊加在一起，五次諧波含量最為豐富。

變流器中包含較多的非線性電力電子元件，導(dǎo)致輸出的交流電流中夾雜著很多諧波[6]，諧波電流在線路阻抗上會產(chǎn)生電壓諧波，傳統(tǒng)處理方式是根據(jù)不同次數(shù)諧波含有量采取無源和有源濾波器相結(jié)合，故風(fēng)機(jī)諧波的處理主要集中在并網(wǎng)側(cè)。

風(fēng)速穩(wěn)定時，風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能中所包含的諧波是確定的[7]。對于不同次數(shù)的諧波需采用不同的處理方式，諧波次數(shù)含量少的可提供通路，連接電阻，消耗諧波電能；含量多的可提取利用：給諧波提供通路，對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，在提取諧波的同時避免諧振而影響電能質(zhì)量。

1.2 諧波電能利用的理論分析

滿足周期信號條件的諧波可以表示為：

(1)

(1)式中fn為n次諧波的頻率；An、φn分別為n次諧波電壓的幅值、相位；N為諧波次數(shù)。得到電網(wǎng)A、B、C三相中任意一相的基波電壓和電流分別為：

u1(t)=Unsin(2πf1t+φ1)

(2)

i1(t)=Insin(2πf1t+Ψ1)

(3)

由此得到基波含有的電能為：

p1(t)=Unsin(2πf1t+φ1)Insin(2πf1t+Ψ1)

(4)

則含有諧波電能的電流可表示為：

in(t)=Insin(2πf1t+Ψ1)+Iksin(2πfnt+Ψi)

(5)

Ψi為i次諧波電流相位，i取1時，為基波電流相位，此時輸電線路諧波功率為：

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

(6)

pk(t)為所有諧波的功率之和，pk(t)在諧波電流和基波電流同向時，大于零；反之，小于零。pb(t)為輸電線路總功率，u1(t)i1(t)為基波功率。隨著新能源裝機(jī)的增加，pk(t)的值會越來越大，諧波功率占比較大，新能源濾波設(shè)備使用時間過長也可能會造成濾波效果變差，甚至有可能產(chǎn)生諧波。

1.3 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)側(cè)低壓處加裝諧波提取電路，電路不裝設(shè)濾波器，對比提取諧波裝置裝設(shè)前后電路中的電流波形，來檢驗(yàn)諧波提取裝置的效果，Udc為變流器網(wǎng)測直流母線電壓。

圖2中，Es為單臺風(fēng)機(jī)并網(wǎng)等效的功率源；電感L1、電容C1串聯(lián)構(gòu)成基波諧振電路；R1為線路電阻，R2為負(fù)載電阻；Cm、Cn均為濾波電容；Ln為諧波諧振電感。

根據(jù)諧振公式可得五次諧波電感和電容的關(guān)系為LC=1/25ω2，表明五次諧波的電感和電容是定量的反比關(guān)系。在非線性負(fù)載增減時，五次諧波含量會發(fā)生變化，諧波電流的大小和幅值隨著時間在變化，但頻率不變，幅值改變。在保證提取電路容量足夠的情況下，利用LC串聯(lián)諧振的原理提取諧波電流電能。

圖1 諧波利用裝置安裝位置

圖2 諧波提取電路圖

2 諧波提取仿真

2.1 諧波提取電路參數(shù)設(shè)定

以五、七次諧波為例，諧波頻率在串聯(lián)諧振情況下公式為：

(7)

n取5時，為五次諧波，XL=ωL,XC=1/ωC ，ω為基波角頻率，依據(jù)五次調(diào)諧電抗器的電抗率是4%，取C5=6μF，則L5=0.067616H。

n取7時，是七次諧波，七次調(diào)諧電抗率為2%，取C7=80μF，則L7=0.002587H，C2和C5相同，C2=6μF。C3和C7相同，C3=80μF。R1、R2、R3、R4取值分別為0.01Ω、100Ω、100Ω、100Ω。

由式(7)知，當(dāng)n取1時，可得到基波L1C1的取值，已知L1=0.0315H，則C1=321.9809μF。電感的選擇對于電流的穩(wěn)定起重要作用，電容選大點(diǎn)可以阻礙諧波通過，整理得到諧波提取電路參數(shù)值如表1。

表1 諧波提取電路參數(shù)值

2.2 單相LC諧振原理諧波提取

將此諧波提取裝置并聯(lián)在風(fēng)機(jī)變流器逆變側(cè)和風(fēng)機(jī)升壓變之間，模擬單臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，設(shè)定變流器逆變側(cè)輸出電壓690V，頻率為50Hz，初始電流為1367A，畸變率為0.01%。給定E2為50A，E3為20A。在Simulink仿真平臺下，建立仿真模型，可視5次諧波和7次諧波穩(wěn)定，模擬5次和7次諧波輸出。由文獻(xiàn)[1]知，風(fēng)機(jī)在未投入濾波器濾波之前，諧波畸變率達(dá)到了13.72%，而這部分諧波有近一半為5次和7次諧波，這部分能量被利用起來，很可觀。

諧波提取電路對于諧波呈低阻抗，可以有效地將諧波過濾掉，當(dāng)同時存在5次和7次諧波時，避免7次諧波對5次諧波放大作用，先投入5次調(diào)諧支路，再投入7次調(diào)諧支路，采用單相變壓器提取出諧波電能。

如圖3所示，提取到的5次諧波電流為50.39A，基波電流為1.342A，畸變率為0.54%，提取效果較好。

圖3 提取到5次諧波電流波形

圖4 提取到7次諧波電流波形

如圖4，提取到7次諧波電流值為21.44A，基波電流為17.36A，畸變率為6.79%，效果不太理想。電路中電流畸變率由3.97%下降到0.83%，無源濾波器原理諧波提取方法雖然能使電路中的電流畸變率達(dá)到要求，但在5次和7次諧波中檢測到基波，導(dǎo)致基波電能的浪費(fèi)。

在圖5中，5次、7次諧波電流被提取后，輸電線路中電壓為676.6V，電流為1353A，與初始電壓電流值相比略有下降。

圖5 諧波提取后線路中電壓、電流波形

2.3 基于單相CLC電路的諧波提取

在圖6中，E1、E2、E3分別為基波電壓源、5次諧波電流源、7次諧波電流源。L1C1電路不影響基波電流通過，阻礙諧波電流向E1側(cè)流過，迫使諧波流向調(diào)諧電路。

在未加入調(diào)諧支路時，基波和諧波都會流入供電系統(tǒng)，影響電能質(zhì)量。加入并聯(lián)調(diào)諧電路[8]后，諧波(以5、7次諧波為例)電流會通過該電路，電感、電容串聯(lián)支路連接變壓器，通過變壓器分別將5次和7次諧波分離開來，在二次側(cè)提取到諧波電流電能。

圖6 諧波提取電路原理圖

以5次和7次諧波為研究對象建立模型，暫不考慮其它次諧波。L1C1電路對基波電流無影響，但有較大阻抗阻礙諧波電流通過，迫使諧波電流流向諧波提取裝置。為了使提取效果較好，需滿足：

①在基波狀態(tài)下，Cm支路阻抗應(yīng)比Cn、Ln側(cè)支路總阻抗大；

②滿足諧振條件，Cn容抗應(yīng)等于Ln感抗與三繞組變壓器感抗之和；

③諧波能夠提取出應(yīng)滿足：

(RT+jωLT-1/jωCm)Im=

(RT+jωLT-1/jωCn+jωLn)In

(8)

(8)式中，RT為變壓器電阻；ωLT為變壓器感抗；In為電容Cn和電感Ln支路電流；Im為Cm側(cè)電流。要確保不提取到基波而又能很好地提取諧波，在滿足(8)式時，變壓器并聯(lián)在電路中的兩個支路電容器基波電流一樣，匝數(shù)相同。變壓器處基波磁通相互抵消，二次側(cè)就不會提取到基波電流電能。

諧波提取系統(tǒng)是在串聯(lián)諧振的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整參數(shù)讓特定次數(shù)諧波通過[9]，變壓器一次側(cè)繞組電流分為兩部分，一部分電流經(jīng)電容器Cm和變壓器T流入零線，第二部分電流經(jīng)Cn、Ln以及變壓器T流入零線。

如圖7，變壓器A端連接電容Cm，變壓器B端連接電感Ln、電容Cn支路，則變壓器AX側(cè)所在的支路為不含有諧波的無功電流，BX側(cè)支路為含有諧波無功電流，兩個支路的基波無功電流相同，基波磁通方向相反，相互抵消。即基波磁通相互抵消，而諧波磁通無法抵消，感應(yīng)到變壓器二次側(cè)即ax側(cè)，從而諧波能量被提取出來。

圖7 并聯(lián)變壓器電路

變壓器繞組變比為1:1:1，則保證諧波電流能夠理論提取出來，輸電線路應(yīng)滿足：

nω(Li+Ln)=1/nωCn

(9)

其中n為諧波次數(shù)，ωLi和ωLn分別為變壓器感抗、諧振支路感抗，ωCn為諧振支路容抗。相同條件下，在諧振電路上并聯(lián)相同的電容，由基波等電位原理，基波磁通相互抵消，而諧波磁通存在諧振支路而無法抵消，被感應(yīng)到變壓器二次側(cè)。這種方法不會提取出基波電能，CLC電路一方面對基波有著隔離的作用，另一方面能夠提取出諧波電能，提取效果見圖8、圖9。

圖8中，在CLC電路中，變壓器二次側(cè)提取到的5次諧波電流為50.85A，基波電流為0.06781A，畸變率僅為0.11%。

圖8 提取到5次諧波電流波形

圖9 提取到7次諧波電流波形

圖9中，提取到7次諧波電流大小為19.83A，基波電流為0.3574A，THD為0.42%，效果較好。

在5次、7次諧波電流被提取后，輸電線路中電壓為676.6V，電流為1353A，相較于無源濾波器的諧波提取后電路中的電壓和電流值，CLC原理的電路中電壓和電流幾乎一致。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真分析

對單臺風(fēng)機(jī)未并網(wǎng)前的諧波分析，發(fā)現(xiàn)5次和7次諧波較多，采用兩種方法對諧波進(jìn)行分離，一方面降低風(fēng)機(jī)并網(wǎng)前諧波含量，另一方面將諧波分離出來二次利用。兩種方法都基于Matlab仿真系統(tǒng)，建立模型來分析效果好壞。第一種方法采用LC諧振原理來實(shí)現(xiàn)諧波利用，電源側(cè)的電流THD由3.97%降為0.83%，雖然較為理想，但提取出的5次和7次諧波中都包含有基波[10]，造成基波電能損耗。

第二種方法在無源濾波器原理的基礎(chǔ)上并聯(lián)電容，采用三繞組變壓器[11]提取諧波，諧波提取后電路中電壓、電流和第一種方法接近，但提取出的5次和7次諧波中基本都不含有基波，同時也緩解了7次諧波放大5次諧波的問題。諧波電流提取后，電源電壓并未出現(xiàn)波動，電路電流略有下降，可見諧波提取裝置未影響線路電壓，電流也只是提取后略有改變。

3.2 諧波提取后電路中頻率分析

采用雙二階鎖頻環(huán)[12]來實(shí)現(xiàn)諧波的抑制以及對基波頻率的自動跟蹤。為了能夠很好地反映出線路頻率[13]，考慮諧波提取后對電路的頻率影響，如圖10。

在0.5s的時候投入雙二階鎖頻環(huán)控制方法，0.5s之前存在諧波和基波，控制方法加入(即0.5s時)后，由于諧波被提取出來，線路中頻率波動變?yōu)槠椒€(wěn)的50Hz，滿足用電要求。

圖10 諧波提取后線路頻率變化

4 結(jié) 語

結(jié)合風(fēng)機(jī)諧波特點(diǎn)，對比LC電路諧波提取原理，設(shè)計出CLC諧波提取電路并聯(lián)在電路中，通過Matlab仿真系統(tǒng)檢驗(yàn)了諧波提取的效果。在風(fēng)電規(guī)模日益增大的今天，諧波能量的合理處理尤為重要，隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)能利用率不斷提高，諧波處理技術(shù)日趨先進(jìn)，風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量越來越高。