CN102957311A - 一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电变流器相关领域，具体涉及一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统，包括发电机转子、变流器、主控制器和变压器，所述变流器分别与主控制器、发电机转子和变压器连接，其特征在于：变流器和主控器之间通过握手通信控制变流器的启停，变流器经过du/dt过电压抑制器和电缆与发电机的转子连接，发电机转子与变压器相连，发电机转子旋转产生的电流通过发电机定子馈送到变压器；本发明的优点在于本设计从系统仿真的思路出发，根据滤波器工作的原理，找到这几种参数对过压能力抑制最本质的影响，从而寻找出最优的参数组合，结合了多种手段改善了电磁干扰对变流器的影响。

Description

一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统

技术领域

本发明属于风力发电变流器相关领域，具体涉及一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统。

背景技术

近年来，风力发电在国家政策的扶持下高速发展，但随着风电装机容量的不断增加，风电在电力系统中的地位发生了转变。风电装机容量较小时，它的运行对系统稳定性的影响可以不予考虑；当风电装机容量越来越大，在系统中所占比例逐年增加时，它的运行对系统稳定性的影响将变得不容忽视。

现有的双馈风力变流器，采用了大功率的电力电子器件，在快速的开通关断时产生大量的du/dt（过脉冲电压），尤其转子侧的du/dt会给发电机转子造成损坏，同时变流器内部大量的高速芯片和各种端口信号，极容易受到外界的干扰，一旦重要信号受到干扰，可能会使机组的运行造成重大影响，严重的甚至会损坏机组。

目前国内常用的双馈风电变流器一般由网侧变换器和机侧变换器组成，其中网侧变流器和机侧变流器都分别由各自的三个功率单元（每个功率单元包含两个IBGT管以及驱动控制板和散热器）构成，机侧变换器用于实现对电机转子励磁电流的控制，如图11所示。

例如，调试中发现变流器主断路器在实际未合闸的状态下，控制系统却收到了合闸讯号，经过示波器捕捉，确认为干扰造成，如图2，图3所示，其中图3为图2的放大，由图中可以看出，在图3放大后，信号的干扰时间为350μS，而软件采样周期为200μS，信号干扰时间长于采样周期，故此干扰信号将导致软件误判。在调试中，加入了10ms的软件滤波做为临时解决方案，但此滤波将导致正常信号出现时判断上的延时，对整个系统的运行可能会造成无法估计的后果，故只有减少系统发出的电磁干扰EMI，增加系统抗干扰电磁兼容性EMC，才能在保证产品性能的前提下提高稳定性，提高产品质量。

现有针对风电变流器的抗电磁干扰问题提出了相应的改进，如：申请号为CN201110391480.5，申请日为2011-12-1，名称为“一种故障穿越变流器”的发明，其技术方案为：一种故障穿越变流器，包括控制柜、并网柜、网侧功率柜、机侧功率柜以及CHOPPER模块；柜体与柜体之间通过可拆分装置进行紧固；柜体与柜体之间通过并件柜连接；所述的控制柜内部为刀熔开关、电机启动器、变压器、风机串联；风机与加热除湿串接；加热除湿与一条由微型断路器、接触器、UPS、模块电源和散热风扇串接的电路并联，控制柜主要实现变流器的算法和逻辑控制、信号转接的功能；并网柜由软启回路、主回路晶闸管模块、后备保护电路串接；网侧功率柜由电感、交流互感器以及整流模块串接；机侧功率模块是由逆变模块、交流互感器、以及RLC滤波电路串接。上述专利结构和参数设置并不能有效的抑制过电压的产生。这是因为这些参数的设计与控制算法及参数的组合有关，由于涉及到电抗器、电阻和电容三种参数的组合可能太多，且电抗器的体积以及电容器的价格等因素的限制，本领域技术人员很难设计出合理可行的滤波器参数。

发明内容

为了克服上述风电变流器存在强电磁干扰信号的问题，现在特别提出一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统。

为实现上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统，包括发电机转子、变流器、主控制器和变压器，所述变流器分别与主控制器、发电机转子和变压器连接，其特征在于：变流器和主控器之间通过握手通信控制变流器的启停，变流器经过du/dt过电压抑制器和电缆与发电机的转子连接，发电机转子与变压器相连，发电机转子旋转产生的电流通过发电机定子馈送到变压器；

所述变流器输出端设置的du/dt过电压抑制滤波装置为RLC二阶低通滤波网络，RLC二阶低通滤波网络以近端连接的方式接在变流器机侧调制部分功率单元模块输出铜排上，通过电缆线和机舱内的发电机转子相连；

RLC二阶低通滤波网络为π型网络，电抗器L和变流器机侧的调制部分连接，出线端直接接到发电机的转子侧，RC相串联挂在电抗器L的输入端上；所述RLC二阶低通滤波网络的参数为：电抗器L=0.07mH，R=1200W/30Ω，C=0.01μF/1400V；

所述变流器与主控制器相连的一端的端口上设置有浪涌信号抑制板，所述浪涌信号抑制板包括气体放电管、压敏电阻和TVS管；

气体放电管和压敏电阻以及TVS管组成π型网络，其中，气体放电管的两端接到变流器信号端口，TVS管的两端接到主控的信号端口，中间串联压敏电阻；

所述变流器采用单点接地和多点接地的混合接地。

所述气体放电管的钳位电压为90V、峰值通流量为20000A（8/20μS）， 运行温度为-40℃至90℃。

所述压敏电阻的钳位电压为56V、峰值通流量为2000A（8/20μS）， 运行温度为-65℃至125℃。 

所述TVS管的钳位电压为43V，峰值通流量为21.7A，运行温度为-50℃至85℃。

所述混合接地具体为：配电变压器的零线连接到零线端子上，再由该端子分配到各用电终端（如开关电源零线，UPS电源零线，板卡零线等等），各终端之间为串联和并联接法混合接到零线端子，再全部从零线端子通过一根电缆接到接地铜牌，此处为单点接地；而各用电终端的保护接地直接引到接地铜牌上，即多点接地。

所述变流器的信号屏蔽线采用多芯屏蔽线。

所述屏蔽线采用360度接地，连接到弱电的铜排上，所述屏蔽线外卡接有接地环。

本发明的优点在于：

1、本设计从系统仿真的思路出发，根据滤波器工作的原理，找到这几种参数对过压能力抑制最本质的影响，从而寻找出最优的参数组合，结合了多种手段改善了电磁干扰对变流器的影响。

2、由于设置有du/dt过电压抑制滤波装置，并采用本发明RLC滤波网络的参数设置，通过延长PWM电压脉冲的上升时间来降低电机端过电压及高频振荡，从而达到保护电机转子绕组的目的。并且在保证安装体积和成本的前提下，有效的抑制了过电压的产生。

3、端口设置有浪涌抑制板，在浪涌冲击过程中，避免了板件掉电重启现象和器件毁损、烧焦现象的发生，板件能够正常运行，浪涌冲击后板件电路正常，能够正常控制继电器输出，不影响再次使用。

4、采用本发明的参数配置，所述浪涌信号抑制板的结构使信号端口的防护等级可以达到1400V的脉冲信号冲击。

5、混合接地的方式中弱电回路系统独立，与强电隔离，在变频器系统内部强电与弱电之间不会形成地回路干扰，有助于泄放静电，把弱电地悬浮起来，给弱电的控制平台提供一个相对可靠的基础。

6、屏蔽线使用多芯屏蔽线，节省缆线成本，减小装配时的工作量，降低信号干扰。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为现有干扰的示波器捕捉图。

图3为图2的放大图。

图4为近端连接du/dt过电压抑制滤波装置示意图。

图5为没有du/dt过电压抑制滤波装置的变流器输出端脉冲波形。

图6为du/dt过电压抑制滤波装置的变流器输出端脉冲波形。

图7为1.5MW双馈风电变流器增加dudt设备前后对比实测波形。

图8为防浪涌板的设计原理。

图9为DO通道1KV的耦合浪涌冲击试验结果。

图10为变流器混合式接地方式。

图11为目前国内常用的双馈风电变流器结构示意图。

具体实施方式

一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统，包括发电机转子、变流器、主控制器和变压器，所述变流器分别与主控制器、发电机转子和变压器连接，变流器和主控器之间通过握手通信控制变流器的启停，变流器经过du/dt过电压抑制器和电缆与发电机的转子连接，发电机转子与变压器相连，发电机转子旋转产生的电流通过发电机定子馈送到变压器；所述变流器输出端设置的du/dt过电压抑制滤波装置为RLC二阶低通滤波网络，RLC二阶低通滤波网络以近端连接的方式接在变流器机侧调制部分功率单元模块输出铜排上，通过电缆线和机舱内的发电机转子相连；RLC二阶低通滤波网络为π型网络，电抗器L和机侧的调制部分相连接，出线端直接接到发电机的转子侧，RC相串联挂在电抗器L的输入端上；所述RLC二阶低通滤波网络的参数为：电抗器L=0.07mH，R=1200W/30Ω，C=0.01μF/1400V；所述变流器与主控制器相连的一端的端口上设置有浪涌信号抑制板，所述浪涌信号抑制板包括气体放电管、压敏电阻和TVS管；气体放电管和压敏电阻以及TVS管组成π型网络，其中，气体放电管的两端接到变流器信号端口，TVS管的两端接到主控的信号端口，中间串联压敏电阻；所述变流器采用单点接地和多点接地的混合接地。

过电压抑制的机理比较复杂，目前的分析方法都不能从本质上找到RLC参数对过电压抑制的效果的影响。其理论计算得到过电压的最大值为:

其中r为反射系数，tr为上升时间。电机端电压最大值是上升时间的函数，如所示。当m为奇数时，电机端电压的最大值随的增大而增大，当m为偶数时，电机端电压的最大值随的增大而减少。电机端电压的最大值随着的变化以为周期振荡。总之，为抑制电机端过电压，上升时间最好设置在的整数倍附近，并且倍数的取值越大抑制效果越好。 RLC通过长距离连接电缆与发电机端相连。

RLC滤波网络组成π型网络，电抗器L和机侧的调制部分功率单元相连接，出线端直接接到发电机的转子侧，RC相串联挂在电抗器L的输入端上。

气体放电管和压敏电阻以及TVS管组成π型网络，其中，气体放电管的两端接到变流器信号端口，TVS管的两端接到主控的信号端口，中间串联压敏电阻。

所述气体放电管的钳位电压为90V、峰值通流量为20000A（8/20μS）， 运行温度为-40℃至90℃；

所述压敏电阻的钳位电压为56V、峰值通流量为2000A（8/20μS）， 运行温度为-65℃至125℃； 

8/20μS标准电流波：冲击雷电涌流从发生到峰值的时间为8μS，从发生至下降到其峰值50%的时间为20μS。

所述TVS管的钳位电压为43V，峰值通流量为21.7A，运行温度为-50℃至85℃。

所述混合接地具体为：配电变压器的零线连接到零线端子上，再由该端子分配到各用电终端（如开关电源零线，UPS电源零线，板卡零线等等），各终端之间为串联和并联接法混合接到零线端子，再全部从零线端子通过一根电缆接到接地铜牌，此处为单点接地；而各用电终端的保护接地直接引到接地铜牌上，即多点接地。变流器的信号屏蔽线采用多芯屏蔽线。屏蔽线采用360度接地，连接到弱电的铜排上，所述屏蔽线外卡接有接地环。

现结合附图进行说明，图2、3所示，信号的干扰时间为350μS，而软件采样周期为200μS，信号干扰时间长于采样周期，故此干扰信号将导致软件误判。在调试中，加入了10ms的软件滤波做为临时解决方案，但此滤波将导致正常信号出现时判断上的延时，对整个系统的运行可能会造成无法估计的后果，故只有减少系统发出的电磁干扰EMI，增加系统抗干扰电磁兼容性EMC，才能在保证产品性能的前提下提高稳定性。

如图4所示，针对1.5MW高原型变频器使用环境的需求对变频器控制板件进行的浪涌抑制板设计，通过气体放电管，压敏电阻和TVS管等防护用元器件搭接端口保护电路，充分利用不同类型元器件响应速度，通流能力和频率特性等参数优劣特点对元件进行有效组合，增强抵抗浪涌冲击的能力，同时不影响控制板件电路自身特性，有效提高板件电磁兼容性能，提高系统稳定性。

变流器输出端du/dt过电压抑制滤波装置设计：

变流器机侧采用IGBT功率模块对直流侧电压进行调制，在调制过程中，由于高速开关器件的特性，使得电压变化率du/dt增大，同时由于变流器与电机端之间通过长达100米以上的电缆连接，变流器输出的脉冲信号会在电缆上产生电压反射现象，在发电机的转子上形成过电压，高频阻尼振荡，当调制脉冲波上升斜率达到6000V/μs时，可能击穿电阻转子的绝缘层，造成电机损坏，严重时甚至使电机烧毁，另外也会加速电机轴承老化，增强电磁干扰。

du/dt过电压抑制滤波装置安装位置，根据设计思路的不同，可以放在变流器的输出端（一般称之为近端连接），如图4所示，也可以安装在发电机端（一般称之为远端连接）。根据我国风电场的实际情况，以及我们在实际调试工作中的经验，最好采用第一种连接方式，即近端连接，因为一般而言变流器是安装在风力发电机组塔基的位置，将du/dt过电压抑制滤波装置安装在变流器输出近端，便于维护与保养，能够大大节省安装调试成本，因为本发明中也采用近端连接的安装方式。

    理论上，变流器输出端的过电压是由于高频PWM脉冲波上升时间（及上升斜率）和脉冲波在电缆中的传输时间近似，同时电缆与电机的阻抗不匹配时，在电机端发生的反射，其反射的幅值大小取决与两者之间的不匹配度。在实际工程中，脉冲波的开关频率一般由控制算法决定，不会轻易改变，而线缆的距离由变流器与发电机的距离决定，也无法轻易改变。因此，我们只能通过缓冲脉冲波达到电机端的时间，以此来抑制脉冲波反射后的叠加，产生的过电压损伤电机转子绕组。

du/dt过电压抑制滤波装置是一个二阶的RLC的滤波网络，其作用一是使得电机与电缆的阻抗尽量匹配，二是增大脉冲波的上升时间，抑制过电压的产生，避免电机的损伤。

根据理论仿真与工程实践，在考虑了成本、空间体积、安装结构以及性能的前提下，我们在1.5MW双馈风电变流器上设计了如下参数的机侧RLC过电压抑制滤波装置，L=0.071mH（767A），R=30Ω（450W），C=0.1μF（1400V），接电缆长度为20米，我们在matlab上做了如下仿真，如图5是没有du/dt过电压抑制滤波装置情况下的变流器输出端脉冲波形，图6是加了du/dt过电压抑制滤波装置情况下的变流器输出端脉冲波形

由图5与图6的对比可以看到，加了du/dt过电压抑制之后，变流器输出端的波形明显上升斜率要缓和得多，另外输出的波形也减少了振荡的抖动，脉冲波的最高峰值电压也由原来的1500V，变为1400V左右，下降了100V之多，这说明本装置从理论上能够大大抑制过电压产生，从而达到减小电机损伤的目的。

图7是在1.5MW双馈风电变流器设备上实际测得的波形，灰色为机侧变流器调制电压（不经过du/dt过电压抑制装置），白色为经过du/dt过电压抑制装置后的调制电压，很明显的可见du/dt过电压抑制装置将变流器调制的1us即到1000V的高压，变为4us上升速率变缓，输出的波形平缓，能够有效降低发电机转子的损害。

变流器信号端口防浪涌板设计：变流器与主控制通过干接点硬接线连接（目前也有部分风场或者制造商设计了通过canopen通信协议，实现主控制器与变流器连接的方案），变流器与主控制之间的硬接线一般长达100米以上，这些信号线由于本身存在杂散电感，加之较长的传输距离，悬挂在风机塔筒里面，一旦发生雷电天气，这些电缆上很容易产生瞬间过电压脉冲，也就是我们常说的浪涌，因此有必要在这些端口的入口处设计防浪涌板。

   变流器与主控制器之间主要有如下几类信号

序号	信号类型	信号流向	信号内容
				1	模拟量输入	主控制器发	转矩给定值，功率因素给定值等等
2	模拟量输出	变流器发	变流器温度、转矩反馈值、发电机转速反馈值等
				3	数字量输入	主控制器发	开始励磁、允许并网、变流器复位等等过程控制信号
4	数字量输出	变流器发	变流器故障脱网、变流器在运行范围内，变流器准备好等等状态信号

   这几类信号都是重要的握手信号，承担变流器与主控制器之间的通信，直接影响整台机组的稳定运行，从信号性质上看，这几种信号都有可能会受到雷击等浪涌信号的干扰，这里提出一种防浪涌板的设计原理：

在变流器数字量输出信号DO端口上做浪涌冲击保护试验，试验的结果如下图9所示，我们可以看见，对DO通道施加1KV的耦合浪涌冲击，板件上电运行，浪涌冲击过程中，没有发现板件掉电重启现象，没有器件毁损，烧焦现象发生，板件仍然能够正常运行，实验完成后检查板件电路正常，仍然能够正常控制继电器输出，不影响再次使用。

变流器屏蔽线及接地工艺改进：变流器是典型的强弱电混合系统，其接地方式非常重要。良好的接地可以保证变流器稳定工作。据不完全统计，90%以上的电磁干扰问题，最终都是与接地有关系。在接地方式上，提出一种混合接地方式，380V供电回路内，电网给配电变压器供电，配电变压器的零线首先到一个端子（零线端子）上，再由端子分配到各用电终端（如各用电回路），各终端之间可能由于装配的和走线的原因，为串联和并联接法混合接到零线端子，最后全部从零线端子通过一根粗电缆接到接地铜牌，此处又相当于单点接地。而各主要器件的保护接地都是直接引到接地铜牌上，即多点接地。

另外在屏蔽线使用上，设计了尽量使用多芯屏蔽线，好处在于一是可以节省缆线成本，减小装配时的工作量，二是也可以达到降低信号干扰的目的。屏蔽线一定要避免把屏蔽层拧成一股小辫子，然后再接地的方式，而要采用360度接地，连接到弱电的铜排上，在实际生产中，可以把屏蔽线外面加一个接地环，卡在屏蔽线的外面一圈，增大接地面积，从而达到较好的接地效果。

Claims (7)

1.一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统，包括发电机转子、变流器、主控制器和变压器，所述变流器分别与主控制器、发电机转子和变压器连接，其特征在于：变流器和主控器之间通过握手通信控制变流器的启停，变流器经过du/dt过电压抑制器和电缆与发电机的转子连接，发电机转子与变压器相连，发电机转子旋转产生的电流通过发电机定子馈送到变压器；

所述变流器输出端设置的du/dt过电压抑制滤波装置为RLC二阶低通滤波网络，RLC二阶低通滤波网络以近端连接的方式接在变流器机侧调制部分功率单元模块输出铜排上，通过电缆线和机舱内的发电机转子相连；

RLC二阶低通滤波网络为π型网络，电抗器L和机侧的调制部分连接，出线端直接接到发电机的转子侧，RC相串联挂在电抗器L的输入端上；所述RLC二阶低通滤波网络的参数为：电抗器L=0.07mH，R=1200W/30Ω，C=0.01μF/1400V；

所述变流器与主控制器相连的一端的端口上设置有浪涌信号抑制板，所述浪涌信号抑制板包括气体放电管、压敏电阻和TVS管；

气体放电管和压敏电阻以及TVS管组成π型网络，其中，气体放电管的两端接到变流器信号端口，TVS管的两端接到主控的信号端口，中间串联压敏电阻；

所述变流器采用单点接地和多点接地的混合接地。

2.根据权利要求1所述的一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统，其特征在于：所述气体放电管的钳位电压为90V、峰值通流量为20000A（8/20μS）， 运行温度为-40℃至90℃。

3.根据权利要求1所述的一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统，其特征在于：所述压敏电阻的钳位电压为56V、峰值通流量为2000A（8/20μS）， 运行温度为-65℃至125℃。

4.根据权利要求1所述的一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统，其特征在于：所述TVS管的钳位电压为43V，峰值通流量为21.7A，运行温度为-50℃至85℃。

5.根据权利要求2、3或4所述的一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统，其特征在于：所述混合接地具体为：配电变压器的零线连接到零线端子上，再由该端子分配到各用电终端，各终端之间为串联和并联接法混合接到零线端子，再全部从零线端子通过一根电缆接到接地铜牌，此处为单点接地；而各用电终端的保护接地直接引到接地铜牌上，即多点接地。

6.根据权利要求5所述的一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统，其特征在于：所述变流器的信号屏蔽线采用多芯屏蔽线。

7.根据权利要求6所述的一种兆瓦级风电变流器抗电磁干扰系统，其特征在于：所述屏蔽线采用360度接地，连接到弱电的铜排上，所述屏蔽线外卡接有接地环。

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