风电变流器电机侧滤波器分析设计

周俊杰

特变电工西安电气科技有限公司 陕西省西安市 710119

摘 要：在风力发电系统中，通常变流器和电机之间通过长距离电缆连接，长线传输会导致变频器输出的PWM电压波在电机转子或定子端口产生很高的电压尖峰，此电压尖峰会损坏电机的绝缘，导致电机寿命的降低。本文分析了可通过变流器电机侧增加RLC滤波器降低电机侧尖峰电压，同时通过仿真和实验说明了滤波器中三个参数的选型原则。

关键词：风电变流器、电机过电压、RLC滤波器

1问题背景

在风力发电系统中，通常变流器和电机之间会有100m左右的距离，对于双馈风力发电系统，变频器转子出线端子和电机转子出线端子之间存在长线传输问题；对于直驱风力发电系统，电机定子出线端和变流器进线端之间存在长线传输问题。此处长线传输会导致变频器输出的PWM电压波在电机转子或定子端口产生很高的电压尖峰，此电压尖峰会损坏电机的绝缘，降低电机寿命。此外，由于定转子之间及绕组间的耦合电容作用，过大的du/dt也会导致电机的轴上面产生很大的感应电流，使电机轴发热，烧坏电机轴。

通过波传输的理论来分析此系统的电机端口的过压特性，为解决电机侧的过电压，一般在变流器侧增加LRC滤波器，将PWM电压波的上升沿变缓，降低电机端口的过压尖峰。

2仿真与实验

对于PWM电压波上升沿瞬间的特性，主要由电机的高频特性决定，因此需建立电机的高频负载模型来分析此问题。本文档中仿真平台为Multisim Power Pro Edition 11.0，电机高频模型近似为一个LRC模型，电缆模型为仿真软件所提供。

基本参数设置如下：R=190Ω，L=200uH，C=0.075uF，线缆长度=30m，模块输出信号上升沿1us，幅值1000V。

标准仿真模型如图2所示，本文仿真均是在图2的标准模型基础上改动某一个或某几个变量，来考察不同元件对电机端尖峰电压的影响。

图2 仿真模型

2. 1. 电阻对电机端口尖峰电压的影响

下图3为不同电阻对应的电机端口电压波形。将图3中波形的尖峰电压幅值提取出来，可以得到电机端口尖峰电压幅值随电阻变化的曲线，如图4所示。

图3 不同电阻R对电机侧尖峰电压影响 图4 电阻对电机侧尖峰电压影响

通过图4曲线可得，电阻对电机端口尖峰电压的影响并非单调变化。对于固定的一组L和C参数，通过优化选取电阻参数，可以得到一个最佳的电阻值，使电机端口电压尖峰最小。

图5为实际实验测试数据，由图5可得，实测的电阻与电机侧过电压的关系曲线变化规律与仿真结果基本一致。

图5 实际实验中电阻R对电机侧尖峰电压影响

2. 2. 电感对电机端口尖峰电压的影响

图6为不同的电感参数对应的电机端口电压波形，将上述波形的尖峰电压幅值提取出来，可以得到图7电机端口尖峰电压幅值随电感变化的曲线。

图6 不同电感对电机侧尖峰电压影响 图7电感对电机侧尖峰电压影响

如图7可得，电感对电机端口尖峰电压的影响并非单调变化，对于固定的一组R和C参数，当电感选取在开始的一个小范围内电机端口尖峰电压随电感值的变大而增大，但是超过一定的范围后，电机端口的尖峰电压随着电感值的增大而减小。

图8为实际实验平台测试数据，由下图可见电感越大，电机侧尖峰电压越小，这个规律符合上面仿真曲线的拐点之后的那段。分析是由于选取实验的20uH电抗器已经大于拐点的值，所以无法测试出拐点之前的数据。

图8 实际实验中电感对电机侧尖峰电压影响

2. 3. 电容对电机端口尖峰电压的影响

图9为不同的电容参数对应的电机端口电压波形。将图9所示波形的尖峰电压幅值提取出来，可得到电机端口尖峰电压幅值随电容变化的曲线，如图10所示。

图9 不同电容C对电机侧尖峰电压影响 图10 电容对电机侧尖峰电压影响

如图10可得，电容对电机端口尖峰电压的影响为单调变化，对于固定的一组L和R参数，电容取值越大，电机端口的电压尖峰越小。

3 结论

通过理论推导、仿真分析和实验验证的方法得出了R、L、C三个参数分别对电机侧尖峰电压的影响，结论如下：

（1）传统分析认为，在电机侧产生尖峰电压的原因是由于长线传输引起反射所导致，相关学者认为只要脉冲上升时间大于三倍的信号在电缆中的传输时间即可消除反射降低尖峰电压，本文通过仿真发现脉冲上升时间满足三倍的信号传输时间尖峰电压仍然无法消除。除了长线反射意外， 滤波器、RC网络、电缆和电机组成的高阶系统对脉冲信号的响应也是一个因素；

（2）电感越大，电机侧尖峰值越小，在成本和体积允许的前提下感值越大越好；

（3）电容越大，电机侧尖峰电压越小；

（4）随着电阻R的增加，电机侧尖峰电压先减小后增大，存在极小值，不同的电机具有差异。

 参考文献

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

[2] 任康乐. 中压三电平全功率风电变流器关键技术研究[D]. 合肥工业大学, 2016.

[3] 王孝武. 现代控制理论基础[M]. 机械工业出版社，1998.