考慮母線槽諧振效應(yīng)的機(jī)側(cè)變流器過(guò)電壓研究

王冉旭，何 山，2，邱瑞東，鄭海旺

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊市 830049；2.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830049)

1 引言

有效抑制變流器過(guò)電壓，可保障變流器安全，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，防止系統(tǒng)崩潰[1]。機(jī)側(cè)變流器一般安裝在塔筒底部，通過(guò)母線槽或電纜與頂部風(fēng)機(jī)相連[2]。風(fēng)電動(dòng)力電纜通常用銅作線芯，但我國(guó)銅儲(chǔ)量不高，且年消耗量較大，其成本問(wèn)題越來(lái)越突出[3]。電纜受結(jié)構(gòu)和材料制約，其載流量小于630 A，在風(fēng)機(jī)機(jī)組容量較大時(shí)，需數(shù)十根電纜并聯(lián)使用。而單根風(fēng)電專用母排載流量可達(dá)5000A，無(wú)論機(jī)組大小，單臺(tái)風(fēng)機(jī)每相只需兩根[4]。目前，電纜在風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)安裝，裝設(shè)難度較大，而母線槽可在塔筒制造廠預(yù)安裝，敷設(shè)簡(jiǎn)單[5]。除此之外，母線槽在耐受電流、絕緣能力、使用壽命等方面均優(yōu)于動(dòng)力電纜，市場(chǎng)占有額逐年加大，研究成果越來(lái)越多，將被更多地應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中[6]。

文獻(xiàn)[7]指出電機(jī)與變流器經(jīng)長(zhǎng)電纜連接時(shí)，由于電纜對(duì)地電容和系統(tǒng)高次諧波影響，在電機(jī)端產(chǎn)生諧振過(guò)電壓，但理論未用于母線槽模型；文獻(xiàn)[8，9]提出一種新型有源箝位抑制方法和一種新型過(guò)電壓保護(hù)電路，從變流器內(nèi)部實(shí)現(xiàn) IGBT過(guò)電壓抑制，但未研究外部因素對(duì)變流器過(guò)電壓的影響；文獻(xiàn)[10]指出當(dāng)IGBT同時(shí)關(guān)斷三相電流時(shí)，機(jī)側(cè)變流器處產(chǎn)生的三相過(guò)電壓不同，但未對(duì)其進(jìn)行分析。

綜上所述，由于母線槽存在分布參數(shù)RLC，引入RLC串聯(lián)諧振理論對(duì)機(jī)側(cè)變流器產(chǎn)生過(guò)電壓的原因進(jìn)行分析。利用ANSYS有限元仿真軟件，搭建風(fēng)機(jī)并網(wǎng)模型，研究IGBT關(guān)斷三相電流時(shí)，機(jī)側(cè)變流器端部三相過(guò)電壓不同的原因。因母線槽分布參數(shù)RLC與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，結(jié)合母線槽母排溫升情況，對(duì)母線槽結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化。為分析機(jī)側(cè)變流器過(guò)電壓提供理論支撐，同時(shí)為母線槽設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

2 電路模型等效和RLC串聯(lián)諧振原理分析

2.1 電路模型等效

母線槽參數(shù)模型分為兩種：一是集中參數(shù)模型；二是RLC分布參數(shù)模型。由于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)變流器采用 PWM逆變器電路，PWM脈沖波中含有高頻成分，因此需要建立母線槽RLC分布參數(shù)模型。用開(kāi)關(guān)模擬IGBT，進(jìn)而研究外部電路參數(shù)在機(jī)側(cè)變流器過(guò)電壓處產(chǎn)生的作用。簡(jiǎn)化后模型如圖1所示。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電流為零，但電壓依然存在。A點(diǎn)與IGBT端部處于同電位，即電容兩端電壓為機(jī)側(cè)變流器端電壓。

圖1 電路等效模型

2.2 RLC串聯(lián)諧振原理

根據(jù)相量法，電路輸入阻抗Z(jω)為

(1)

頻率特性為：

(2)

(3)

其中ω為角頻率，φ(jω)為相角，|Z(jω)|為阻抗幅值。

(4)

此時(shí)電抗電壓UX(jω0)=0，由電抗值乘電流值得：

(5)

將電流I(jω0) 帶入可得：

(6)

由式(6)得：

(7)

工程上將式(7)定義為品質(zhì)因數(shù)Q，即：

(8)

用式(8)表示電容兩端電壓為：

UC(jω0)=QUS(jω0)=QUS(jω)

(9)

用正弦量表示A相電壓源為：

Usa(jω)=Uasin(2π*f*T+φπ/180)

(10)

綜上，可得以下結(jié)論：

1) 母線槽存在分布參數(shù)RLC，可用RLC串聯(lián)諧振理論分析；

2) 變流器采用 PWM逆變器電路，PWM脈沖波含高次諧波成分較多，諧波接近或達(dá)到電路固有頻率時(shí)，在電路中發(fā)生電壓諧振，造成機(jī)側(cè)變流器端部過(guò)電壓；

3) 機(jī)側(cè)變流器端電壓為電容兩端電壓，由式(9)知電容兩端電壓為Q倍電源電壓，即機(jī)側(cè)變流器產(chǎn)生高于電源電壓Q倍的過(guò)電壓；

4) 由式(9)可知機(jī)側(cè)變流器端電壓與品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)。故可通過(guò)減小品質(zhì)因數(shù)Q抑制機(jī)側(cè)變流器過(guò)電壓；

5) 根據(jù)式(10)知電源電壓是關(guān)于電壓幅值U、電源頻率f、時(shí)間T和相位φ的正弦函數(shù)。發(fā)電機(jī)在出廠時(shí)，其額定電壓、頻率和相位已經(jīng)確定。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)間T不同時(shí)，對(duì)應(yīng)三相電源電壓值不同，造成機(jī)側(cè)變流器三相過(guò)電壓不同。

3 仿真參數(shù)、模型及結(jié)果

3.1 母線槽主要參數(shù)

3.2 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

額定功率PN=1.5MW，相數(shù)m=3，額定電壓UN=660V，額定頻率f=12.69Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=17.3r/min，定子槽數(shù)Z=576，極對(duì)數(shù)p=44。

3.3 仿真模型

ANSYS Workbench仿真平臺(tái)集成電、磁、流體、熱學(xué)等為一體，可用于不同類型的耦合分析。

在RMxprt Design中輸入永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型參數(shù)，經(jīng)軟件劃分為有限元模型后導(dǎo)入至Maxwell Design與Simplorer聯(lián)合，進(jìn)行電磁耦合仿真。Simplorer軟件中有常用的電壓源、電阻、電感和電容等模塊，如圖2發(fā)電機(jī)外電路模型所示。

圖2 發(fā)電機(jī)外電路模型

由圖2知IGBT關(guān)斷三相電流時(shí)，三相電容C4、C5、C6為串聯(lián)形式，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，機(jī)側(cè)變流器三相過(guò)電壓和為0。

風(fēng)機(jī)并網(wǎng)時(shí)，電機(jī)相序、幅值、頻率、相位需與電網(wǎng)一致。電網(wǎng)三相電壓源幅值為538.872V，頻率為12.69Hz。相位采用角度制分別為-39.87°，-159.87°和-279.87°，如圖2中E1，E2，E3所示。

進(jìn)行熱-流-固耦合(FSI)仿真。首先，在SolidWorks軟件中建立母線槽三維模型；其次，經(jīng) ICEM CFD軟件劃分為有限元模型后導(dǎo)入至 CFX軟件中進(jìn)行前期處理；最后，調(diào)用CFD求解器進(jìn)行后期處理。

3.4 仿真結(jié)果

如圖3所示，在IGBT關(guān)斷三相電流時(shí)，可得機(jī)側(cè)變流器端部ABC三相過(guò)電壓分別為1033.9V，2826.1V，-3860.0V。相對(duì)額定電壓，機(jī)側(cè)變流器端部產(chǎn)生近6倍過(guò)電壓，可造成機(jī)側(cè)變流器IGBT元件損壞。

圖3 機(jī)側(cè)變流器端部電壓曲線

風(fēng)電母線槽常用三相五線制，兩側(cè)分布多孔散熱窗，利用空氣對(duì)流散熱。圖4為母線槽溫度分布云圖。

圖4 母線槽溫度分布

仿真結(jié)果分析：

1)IGBT關(guān)斷三相電流時(shí)，機(jī)側(cè)變流器三相過(guò)電壓和為0。

2)三相電流關(guān)斷瞬間，電源電壓不同，造成機(jī)側(cè)變流器三相過(guò)電壓不同。

3)母線槽三相母排中B相散熱較差，溫升較高。除此之外，B、C相母排端部溫升較高，應(yīng)加強(qiáng)端部絕緣。

4 優(yōu)化建議

4.1 優(yōu)化關(guān)斷時(shí)間T

根據(jù)2.2節(jié)知三相電壓源為關(guān)于時(shí)間的正弦函數(shù)，取A相電壓值在0-U之間進(jìn)行仿真分析。T0為電壓值為0時(shí)刻，T7為電壓值為U時(shí)刻，間隔為1/28周期。結(jié)果如圖5所示。

圖5 關(guān)斷時(shí)間與過(guò)電壓倍數(shù)關(guān)系

由圖5知，在A相電源電壓最大時(shí)關(guān)斷三相電流，其過(guò)電壓倍數(shù)最大。在A相電源電壓為0時(shí)關(guān)斷三相電流可完全抑制其過(guò)電壓。由于三相電源電壓均呈正弦形，當(dāng)某相過(guò)電壓為0時(shí)，其余兩相過(guò)電壓不為0。因此，工程建議避免在某相電源電壓值最大時(shí)關(guān)斷電流，可在某相電源電壓為0時(shí)關(guān)斷電流。

4.2 優(yōu)化品質(zhì)因數(shù)Q

4.2.1 母線槽間距對(duì)過(guò)電壓影響及其優(yōu)化

密集型母線槽在溫差濕度較大地區(qū)，母排和絕緣層周圍易形成凝露，造成絕緣老化，且在塔筒晃動(dòng)中，由于無(wú)絕緣墊塊，導(dǎo)體之間相互摩擦使絕緣層易破裂，造成嚴(yán)重事故。故當(dāng)前風(fēng)電專用母線槽以空氣型為主。

圖6 間距與過(guò)電壓倍數(shù)曲線

根據(jù)仿真結(jié)果知：當(dāng)母排間距增大時(shí)，過(guò)電壓倍數(shù)同時(shí)增大，較大的電壓可造成機(jī)側(cè)變流器損壞，故母排間距需盡可能小，工程建議取值在11-16mm之間。但間距過(guò)小易惡化母排散熱，需協(xié)同母排溫升進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。母排間距與溫升關(guān)系如圖7所示。

圖7 母排間距與溫升關(guān)系

由圖7可知，母線排溫升存在較優(yōu)間距16mm。母排溫升隨間距減小而增大，小于12mm時(shí)，溫升急劇增大，一旦發(fā)生故障，高溫易造成母線槽燒毀或絕緣老化。母排間距大于16mm時(shí)，增加母排間距散熱效果不明顯。故母排間距在12-22mm時(shí)，可保證母線排在溫度耐受極限值以內(nèi)。但據(jù)圖6知，增大母排間距在IGBT關(guān)斷三相電流時(shí)產(chǎn)生較高過(guò)電壓，易造成機(jī)側(cè)變流器損壞。綜上所述，空氣型母線槽母排間距優(yōu)化值在12-16mm之間。

4.2.2 母線槽外殼對(duì)過(guò)電壓影響及其優(yōu)化

母線槽外殼尺寸由高度、寬度和厚度三個(gè)因素確定，其中寬度和厚度對(duì)阻抗影響相對(duì)較小，優(yōu)化幅度不大。受到渦流損耗和磁耦合影響，母線槽外殼高度增大，其阻抗降低，導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)Q減小，對(duì)機(jī)側(cè)變流器過(guò)電壓產(chǎn)生抑制作用。取外殼高度在120-280mm之間，時(shí)間為1s時(shí)仿真，如圖8所示。

圖8 外殼高度與過(guò)電壓倍數(shù)曲線

除此之外，母線槽外殼高度與母排溫升之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 外殼高度與溫升關(guān)系

由圖9知，母線槽外殼高度增加其過(guò)電壓倍數(shù)和溫升均有所下降，綜合考慮安全、磁場(chǎng)屏蔽、阻抗和散熱等因素，工程上建議外殼高度在200-240mm之間。

5 改善建議和抑制措施

由理論研究和仿真結(jié)果知，關(guān)斷時(shí)間T和品質(zhì)因數(shù)Q對(duì)機(jī)側(cè)變流器過(guò)電壓均有影響。因此，對(duì)風(fēng)力系統(tǒng)運(yùn)行和母線槽設(shè)計(jì)提出改善建議：

1)應(yīng)避免在某相電源電壓最大值處，關(guān)斷三相電流?？稍谌我幌嚯娫措妷哼^(guò)0處關(guān)斷三相電流，保證其中一相過(guò)電壓為零；

3)母線槽外殼高度與其阻抗和溫升有關(guān)。高度增加其阻抗和溫升均下降，可抑制機(jī)側(cè)變流器過(guò)電壓，保護(hù)母線槽安全，故母線槽外殼高度應(yīng)適度加大，工程建議在200-240mm之間。

由于過(guò)電壓易造成機(jī)側(cè)變流器IGBT擊穿燒毀，同時(shí)反射到機(jī)端，對(duì)電機(jī)絕緣造成破壞。因此，提出抑制措施：

1)變流器內(nèi)、外和發(fā)電機(jī)均應(yīng)加裝保護(hù)措施。應(yīng)加強(qiáng)電機(jī)絕緣，同時(shí)在電機(jī)端安裝避雷器；

2)在機(jī)側(cè)變流器處加裝濾波器將IGBT關(guān)斷時(shí)高頻脈沖波濾除，可有效抑制變流器過(guò)電壓。

6 總結(jié)

通過(guò)研究RLC串聯(lián)諧振理論，結(jié)合ANSYS Workbench有限元仿真平臺(tái)，對(duì)機(jī)側(cè)變流器過(guò)電壓進(jìn)行了綜合分析。同時(shí)，在母線槽結(jié)構(gòu)和關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)方面提出了優(yōu)化建議；針對(duì)變流器和發(fā)電機(jī)提出了有效的保護(hù)措施；為母線槽設(shè)計(jì)和變流器保護(hù)提供了經(jīng)驗(yàn)。