风电变流器谐波理论及其分析

双馈风机的发电机组由双馈异步发电机和为发电机提供交流励磁的变频系统组成，变频系统基本采用交－直－交电压型双PWM变流器。由于发电机本身的谐波可忽略不计，变频器成为风机系统最大的谐波源。各种采用变流器并网的风力发电机组，由于都是采用AC/DC，DC/DC，DC/AC的结构，通常发电机侧整流器的交流侧为低频交流电，电网侧变流器将直流逆变为工频交流接入电网，其产生各种频率间谐波的机理和双馈机组相同。目前风电机组变流器技术已经非常成熟，控制算法已经有很大改进，只有如下两个控制环节有可能产生谐波。

1.直流母线电压控制

由于传统的电解电容器耐压非常有限，受原理限制最高只能做到500 V，而风机变流器的直流母线电压大多数为1 150 V，需要三组电容串联，结构复杂而且工作寿命很短。很多变流器采用薄膜电容替代电解电容，薄膜电容具有很好的高频特性，缺点是电容量比电解电容小很多。对于三相平衡电网，变流器功率脉动很小，整体电压波动很小，但电网不平衡时会产生较大的功率脉动，引起电容电压产生周期性波动，直流母线电压波动在算法中会使变流器的目标波形包含谐波分量，是产生三次谐波和间谐波的主要原因。

2.目标波形的跟踪控制

控制方法的主要作用是通过闭环控制使变流器的输出波形与目标正序波形完全一致，主要有三种闭环方式：滞环控制、正弦波脉宽调制（SPWM）、空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）。出于工作可靠性的目的，几乎所有的开关器件都有一段不受控制的关断时间，这段关断时间叫做死区。虽然不受控制的时间相同，但在此期间产生的电流变换量会有很大不同，受IGBT开关死区影响，在正负峰值附近，由于此时正、负两个方向的电压差很大，必然会产生同样的死区时间，会在正、负方向上的误差电流有很大差距，从而产生波形畸变，这种畸变从算法上很难补偿。畸变率与死区时间成正比，与直流母线电压和电网峰值电压的差值成反比。以上三种算法各有特点，但都不可避免的会产生6n±1次谐波。

采用变流器并网的风电机组，大多数情况下电源侧变流器和发电机侧变流器的频率不同，并且电机侧变流器的频率随风速变化而变化。对于双馈机组考虑转子绕组向外供电，即定转子同时发电的情况，设三相交流电压为

其中，i＝a，b，c三相，s＝p，n，0分别表示正序、负序和零序。

整流后得到的直流电压表达式为(www.xing528.com)

式中，Anu为变流器控制中电压开关函数对应的系数；ω1为调制波频率。

考虑能量通过直流侧经电源侧变流器接入电网的过程，对三相逆变桥的6只IGBT，最常用的分析方法是将其控制方式的最终实现按照类似于相控方式的空间矢量控制，沿用相控整流逆变的分析方法，将三相六脉波变流器的开关函数表示为

其中，ki表示各次分量系数；ω2表示网侧变流器的调制波频率。b、c相可类似计算。

将式（8.13）对应的直流电流表示为

式（8.15）结果可分为四部分，每部分分别对应直流分量，整流变流器的交流侧电压基波正序、负序分量和各次谐波对直流侧电流的影响。

则逆变侧变流器的输出电压为（b、c相可类似计算）：

将式（8.14）和（8.15）代入式（8.16），可得到各次谐波成分。