变换器用滤波器的设计

      一、引 言
      双馈电机变速恒频风力发电方案被认为是最有前景的风力发电技术之一。在该方案中两个背靠背连接的电压型PWM变换器，构成交-直-交（AC-DC-AC）变换器，通过转子为双馈电机提供交流励磁。网侧变换器（AC-DC）是一个三相PWM高功率因数整流器，为转子侧变换器（DC－AC）提供恒定的直流电压；而转子侧变换器实际上是一个电压源逆变器，为转子提供交流励磁。
 
      变换器输出连接到双馈电机的转子端，存在两方面问题：第一，考虑到实际现场情况，变换器与转子之间需要通过长线电缆连接。由于长线电缆存在的分布电感和分布电容，转子侧变换器输出的PWM电压波，将产生行波反射现象，在电机端产生过电压、高频阻尼振荡，加剧了电机绕组以及电缆线的绝缘压力，甚至造成电机或者电缆的绝缘击穿，严重时会使电机烧毁、电缆爆裂。第二，变换器输出PWM电压富含开关谐波，实验表明开关谐波可以通过定转子之间的气隙磁场耦合到定子侧使得定子感应电压的谐波含量很高。
 
      解决以上问题的有效方法是在转子侧变换器的输出端加装LC正弦波滤波器，将PWM电压波形滤成近似正弦电压波形。本文从理论上分析并推导出了滤波器参数和滤波指标的定量关系，提出了滤波器设计原则。并结合一个实例给出了滤波器的设计步骤。
 
    二、滤波器的拓扑结构及参数设计
    三相电压型逆变器输出的PWM波线电压的基波和谐波的幅值分别为 

    式中：ZL为滤波电感感抗;z为滤波电容Cf和转子漏感L1的并联等效阻抗。

   显然，为了获得比较好的滤波效果，并联阻抗Z在显容性的条件下越小越好，一般远小于ZL。谐波电压衰减倍数为

      正弦波滤波器实际应用中一般取谐波电压衰减倍数小于10％。

    （四）并联谐振及其抑制措施
     电路中滤波电容Cf与转子漏感L,容易发生并联谐振，谐振角频率为

     这种谐振是有害的，为了抑制这种谐振的产生，通常选择谐振角频率在合适的位置

    式中：ω1为基波角频率；ωsw为载波角频率。
 
    进一步有效抑制谐振的措施就是在滤波电容支路串人一定的阻尼电阻，一般为谐振时容抗的三分之一，即Rd =1/（3ωresCf）。实际应用当中，转子绕组以及线路本身电阻的存在通常可以对谐振起到阻尼作用，并且考虑阻尼电阻的引入会带来系统功率的损耗，通常可以省去阻尼电阻。
 
      三、设计实例
     以转子漏感L1=37.8 mH的4.5kW双馈电机为例，考虑实际情况，转子侧变换器调制波的频率变化范围为0～15Hz即±30％的转差；载波频率为10kHz。下面为LC型正弦波滤波器的设计步骤。
    1．取低频时滤波电感的电压降不超过5％，由式（1）设计出滤波电感为L=2mH。
    2．根据式（2）得出滤波电容的取值范围为C＞0.06μF。
    3．取开关谐波电压的衰减倍数为2％，根据式（4）可以得到滤波电容和转子漏感的并联阻抗为Z=2.5SΩ从而可以计算出滤波电容为Cf =6.458μF，实际取Cf=6.8μF。
    4．根据实际参数，计算谐振频率。实际谐振角频率为ωres=8574.9rad，对应的谐振频率为fres=1.36kHz，显然满足式（6）。
 
      四、实验结果
      根据以上的参数，研制了一套用于双馈电机转子侧变换器输出的LC型正弦波滤波器。并做了相应的实验。实验波形如图5～图10所示。实际滤波器测试实验条件为：用一台直流电动机拖动双馈电机运行于发电状态，定子带电阻型负载，转子侧变换器提供交流励磁；双馈电机转速为346r/min，转子转差频率大约为38.5:Hz。

      五、结 论   
      考虑到双馈电机风力发电系统的实际情况，为了避免PWM电压的长线传输带来的负面效应，以及防止开关谐波对定子侧电压的影响，设计了一套转子侧变换器输出LC型正弦波滤波器。实验证明，达到了预期的目的。