关于交直交变流器电磁兼容性的研究

-1-交直交变流器电磁兼容性的研究摘要:改善能源结构，发展新的可再生性能源，减轻对环境污染，提高电能的质量，已成为我国能源工业关注的一个热点。风力发电技术以安全可靠、无污染、不需消耗燃料、建设周期短、规模大小灵活以及可并网运行等特点，在能源产业、电力产业中异军突起。风电系统中由于大量的使用电力电子装置，不可避免的会给系统引入电磁兼容性问题，并对系统造成严重影响，这种影响随着系统功率的增大而变得日趋严重。本文以MW级变速恒频双馈风力发电系统用交直交变流器作为研究对象，分析了变流器系统的主要的干扰源、干扰耦合路径及敏感设备，对变流器进行了电磁兼容性设计。这些设计包括：1.网侧变流器输入端电源线EMI滤波器和转子侧变流器输出端EMI滤波器设计。2.硬件和软件方面对变流器控制系统进行了抗干扰分析，及长线传输过电压问题，利用传输线理论分析了长线传输时过电压产生的机理。关键词:交直交变流器；电磁兼容EMI；滤波器；控制系统；-2-ElectromagneticCompatibilityDesignOfAC/DC/ACConverterLIShaomingLIRuipengAnhuiUniversityOfTechnology,Ma’anshan,Anhui,Chinae-mail:[e-mail]:Itisafocusofattentionoftheworldenergyindustryforimprovingtheenergystructure,utilizationofrenewableenergy,reducingenvironmentalpollutionandimprovingpowerquality.WindenergyisAnewforcesuddenlyrisesinenergysourcesandpowerindustryforitscharacteristicofsafety,credibility,nopollution,noexpendingfuel,shortconstructionperiod,smallscale,combinesthenettorunandsoon.Duetoamassofpowerelectronicequipmentsareusedinwindpowersystem,itisinescapableintroduceelectromagneticcompatibilityissues,andmakeseriousinfluencetothesystem,furthermore,itbecomesgravenessasthesystempowerincrease.ThepaperisaimedtothestudyofAC/DC/ACconverterusedinMWgradevariable-speedconstant-frequencedoubly-fedwind-energygenerationsystem.Itanalysestheorigin,propagationpathandsusceptivityequipmentofEMInoiseinconvertersystemfirstly,thengivestheelectromagneticcompatibilitydesignoftheconverter,thesedesigninclude:1EMIfilterforpowerlinenoisedesignofgrid-sideconverterandcommonmodenoiseEMIfilterdesignofrotor-sideconverter.2.thehardwareontheconvertercontrolsystemisanti-jammingdesign,long-termtransmissionover-voltageproblem,theuseoflongtransmissionlinetheorytoanalyzethetransmissionmechanismofOvervoltage.Keywords:AC-DCconverter;EMCEMI;Filter;ControlSystem;-1-1绪论在世界经济快速发展和激烈竞争的今天，新能源发电尤其是风力发电技术日趋受到西方各国的普遍重视。风力发电技术以安全可靠、无污染、建设周期短、规模大小灵活以及可并网运行等特点，在能源、电力产业中异军突起，由于风力发电系统大量使用电力电子装置，不可避免的引入电磁兼容性问题[1]。变流器运行过程时产生的干扰信号不仅影响变流器系及其它电子设备，如风电控制系统的正常工作，也将影响到变流器自身的稳定运行，这些影响对风电机组的稳定运行构成了严重的威胁。尤其是MW级大功率风电技术的发展和对风电机组可靠性要求的提高，风力发电用变流器的电磁兼容性问题也变得日趋突出，已成为影响变流器自身和整个风电机组安全、稳定运行的重要因素之一，因此，对风力发电用变流器进行电磁兼容性研究具有重要的实际意义及研究价值[17]。电磁兼容(EMC，ElectroMagneticCompatibility)是指电气和电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，它们不会因为内部或彼此间存在的电磁干扰而影响各自的正常工作。它包括电磁敏感度和电磁发射两方面内，电磁敏感度是指电子设备抵抗电磁干扰的能力，而电磁发射是指电子产品产生的对外电磁干扰。自上世纪70年代以来，电力电子装置由于可进行高效率的电能转换而日益广泛的应用于工业与民用的电力变换与传动控制中。如广播、通信、卫星、航天、各种工业动力设备用的电源，电力系统中高压直流输电、有源滤波，交流电机的变频调速，风力发电励磁装置等场合都需要用到电力电子装置。据估计，工业生产中70%的电能都需要通过电力电子装置变换后才能为人类所利用。80年代后期，功率场控器件的实用化和大容量化，使电力电子装置跨入高频化、大容量时代。高频化大大减小了电力电子装置的体积与重量，但电力电子器件的高速开关动作引起的极高的/didt及/dudt，同时也带来严重的电磁干扰，此外，逆变器中开关产生的PWM波形除了有用的基波外，还会含有大量的高次谐波，谐波颇率从几KHz到几十MHz[6]。高次谐波的存在使PWM信号也对周围的设备产生辐射的影响，这些干扰经过近场和远场耦合形成传导和辐射干扰，会对电网和环境造成严重的电磁污染，甚至威胁到其本身乃至与其相关的其他电子设备的正常工作[7]。为了保障电子系统和设备正常工作，必须对干扰进行研究、分析预测，限制人为干扰强度，研究抑制干扰的有效手段通过合理的设计，提高设备抗干扰能力，以使共同环境中的系统和设备能执行各自的正常功能。此外，电力电子装置对电磁环境造成的污染和因之对其周边其它电子设备造成的干扰，已经引起国内外研究开发和工程技术人员的密切关注。欧洲共同体国家已经根据89/336/EEC电磁兼容指令，开始对进入欧洲的大多数电工、电子产品强制执行EMC论证，我国也相应地从2003年5月1日起对部分产品强制执行3C(ChinaCompulsoryCertification)，电力电子装置的电磁兼容问题正越来越引起国内外学者的广泛地关注，主要侧重于传导电磁干扰方面[2]。2风力发电用变流器系统EMC分析近年来，随着风力发电技术的快速发展，尤其是MW级大功率风电技术越来越广泛的应用，风电系统中电力电子装置的功率等级随之提高，所产生的电磁兼容性问题日益突出，对系统的影响日趋明显。本章借鉴国内外有关电磁兼容方面研究的成果，结合风电系统的应用，详细分析了大功率双馈风力发电用交直交变流器系统的主要干扰源和干扰传输的路径，分别就系统输入端电源线干扰及输出端共模干扰的产生、传播路径及对系统产生的影响做了阐述，对风力发电系统中的长线传输时过电压的产生、高频漏电流、轴电压及轴承电流等问题做了分析[15]。2.1变流器系统的主要干扰源及耦合路径在电力电子器件通断瞬间，电压的跳变会在电容上产生很大的充电或放电电流，实际的驱动电路和主电路都会存在杂散分布电容，大功率IPM模块的/dudt一般约为几十/KVs，1nF的电容就可以产生几个安培的电流瞬态脉冲，会对电力系统产生严重的电磁干扰[7]。此外，转子侧变流器输出的含有高/dudt的脉冲电压在经长线传输至双馈电机转子侧，由于反射等原因会在转子侧产生过电压，最大可达直流侧电压的两倍，这不仅会增加电机及变压器绕组的绝缘应力，而且使绕组和转子集电环的寿命降低。开关器件在通断瞬间的电流变化/didt会在杂散电感上感应出电压，在大功率驱动系统中，/didt可达几/KVs，对于2/KVs的电流变化率，30nH的杂散电感就可以激励60V的电压干扰。大的电压、电流尖峰不仅会加大开关管的开关损耗，造成电路的效率下降，发热增加，散热器增大。还会增加开关管的电压、电流应力，使得选管容量的增大，增加成本。另外，有较大/didt的电流环路也是一个辐射源，将对空间产生辐射电磁场。2.1.1雷电干扰雷电是大气层中产生的一种频繁且强烈的电磁干扰源。地球上平均每秒钟约发生100次左右的雷击放电。我国实测到的雷电流最大可达200KA以上，一般低于100KA。这样大的电流无论是沿建筑物钢结构、避雷线（针）流人大地或是大地中的电流都可能在附近导线上感应出能量很强的浪涌，形成强烈的电磁干扰。雷电的频谱较宽，一般为1~5KHzMHz。兆瓦级风电机组风塔高度超过五六十米，发电机组和相关控制驱动设备均处于高空位置极易受到雷击的损坏，主工作回路的大功率半导体器件以及复杂的控制系统均有可能受到电磁脉冲的伤害，还有风力的不确定因素会导致发电系统自己产生电磁冲击现象。IECTR61400-24统计资料显示，德国1991-1998年期间全部的1498台风电机组共发生738起雷击故障事-2-件，每年100套机组要发生8起雷击故障事件，其中控制系统和电气系统是风电系统中最容易受到雷击的部分[10]。主要的雷电形式及雷害情况有以下几种情况：1．直击雷：指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。2．感应雷：雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线，设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害，感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。3．雷击浪涌：由雷电在电缆上电击或感应产生的瞬变过电压脉冲称为浪涌(surge)。除雷击外，其它因素如系统开关切换、系统故障、电磁干扰等也能产生浪涌。它包括电源浪涌、信号浪涌。雷击浪涌是变流器系统遭受雷击的主要表现形式。2.1.2电网干扰电网对系统的干扰主要有：过压、欠压、瞬时掉电、(IEC61000-4-11)、浪涌、跌落、尖峰电压脉冲、射频干扰等。电网上的其它设备产生的干扰信号会通过电源线传播到变流器，此外，交流电网的负载突变（如电动机的起制动）时在负载突变处产生周期为毫秒至纳秒级的高频振荡电压，它经过某些电路进入控制电子线路再经过寄生电容进入大地构成闭合回路[8]。2.1.3强电干扰MW级风力发电系统工作电压、电流比较大，高电压、大电流产生的电磁场辐射不可忽视，通过电源线和信号线等线路耦合到控制电路等弱电设备，严重时可能造成控制电路中逻辑混乱，使系统无法正常运行。此外，系统内部的强电元件如电磁铁、继电器、接触器和电动机等感性负载在通断过程中产生瞬时过电压和冲击电流这也是高频振荡电压它不仅响驱动电路还会通过电源进入电子线路形成干扰。2.2变流器输入端传导电磁干扰分析如图2-1所示，交直交变流器的输入端（即网侧PWM变流器交流侧）与电网相连，网侧变流器的主要功能有两个：一是通过对输入电流的控制保持直流母线电压的稳定，直流侧电压稳定是两个PWM变流器正常工作的前提。二是保证良好的输入特性，即输入电流波形接近正弦，谐波含量少，输入功率因数符合要求。UaUbUc~~~RLDFIG图2-1交流励磁