基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸電流抑制與釋放的研究

裴兆芹，荊海城，郭曉東

(國家電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽 110181)

隨著世界能源技術(shù)革命的轉(zhuǎn)型發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日漸成熟。雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因其具有追蹤最大風(fēng)能的控制優(yōu)勢(shì)[1]，得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為目前風(fēng)電行業(yè)的主流技術(shù)之一。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)通過兩電平電壓型PWM變頻器實(shí)現(xiàn)，使發(fā)電機(jī)的調(diào)速性能顯著提高。但是，PWM變頻器本身共模電壓在發(fā)電機(jī)內(nèi)部耦合電容作用下形成軸電流，已經(jīng)嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來，因軸電流導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸承損壞的情況呈逐年上升的趨勢(shì)，特別是隨著PWM變頻器廣泛使用IGBT等高性能器件而以驚人的速度增加[2]，引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注與研究。

1 軸電流的成因分析

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)軸兩端之間或軸與軸承之間產(chǎn)生的電位差構(gòu)成回路，形成軸電流。雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的軸電流主要有以下4個(gè)類型(見圖1)：高頻電流(HF Current)、靜電放電電流(EDM Current)、環(huán)流(Circular Current)和轉(zhuǎn)子軸電流(Rotor Shatt Current)[3]。

圖1 雙饋發(fā)電機(jī)軸電流類型

1.1 共模電壓產(chǎn)生的高頻電流

目前雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變換器采用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)，由2個(gè)完全相同的兩電平、電壓型、三相PWM變換器通過直流母線連接而成(見圖2)。

圖2 兩電平電壓型PWM變頻器

由于發(fā)電機(jī)輸出的電壓為非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，電壓的頻率、幅值、相位都在隨時(shí)間變化，因三相電壓矢量和不為零而發(fā)生零點(diǎn)漂移，在發(fā)電機(jī)與變頻器系統(tǒng)中產(chǎn)生零序電壓，即共模電壓[4]。

當(dāng)采用PWM控制時(shí)，系統(tǒng)中的高頻諧波分量與發(fā)電機(jī)內(nèi)分布電容之間相互耦合，通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、軸承、定子等構(gòu)成系統(tǒng)的共?；芈?，在共模電壓的作用下產(chǎn)生軸電流(見圖3)。一般來說，軸電壓達(dá)到500 mV就容易產(chǎn)生有害的軸電流[5]。這種共模回路的電壓以高頻振蕩并與轉(zhuǎn)子容性耦合，產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸對(duì)地的脈沖電壓，峰值可達(dá)10～40 V[6]。

圖3 發(fā)電機(jī)共?；芈泛偷刃щ娐?/p>

圖3中：Cwh為定子繞組與外殼之間電容；Cwr為定子繞組與轉(zhuǎn)子之間電容；Crh為轉(zhuǎn)子與外殼之間電容；Zb為轉(zhuǎn)軸與外殼之間阻抗；Cb為軸承與電機(jī)外殼之間電容；Zn為軸承與電機(jī)外殼之間電阻；Rb為軸承套與滾珠之間的電阻。

1.2 軸承油膜擊穿放電產(chǎn)生的EDM電流

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)，在其前、后軸承的支撐下旋轉(zhuǎn)，軸承內(nèi)、外滾道與滾珠之間的絕緣油膜相當(dāng)于一個(gè)電容(見圖4)。

圖4 發(fā)電機(jī)軸承內(nèi)部電容及等效電路

圖4中：Cb1為軸承內(nèi)圈與滾珠之間的電容；Cb2為軸承外圈與滾珠之間的電容；Cg為Crh與Cb并聯(lián)等效電容(見圖3)。

當(dāng)Cg的電壓大于軸承滾珠與滾道之間潤滑油膜的擊穿電壓時(shí)，相當(dāng)于Kb導(dǎo)通，該支路成為軸電流回路的一部分，等效電路中的電容Cg會(huì)在軸承滾珠與滾道之間通過瞬間的高電流脈沖放電，即EDM電流[7]。反之，滾珠與滾道之間電壓小于油膜的擊穿電壓時(shí)，與轉(zhuǎn)子回路斷開，不產(chǎn)生軸電流。

1.3 磁路不均衡產(chǎn)生的軸電流

雙饋機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與齒輪箱高速軸通過聯(lián)軸器連接，機(jī)組長期在變工況下運(yùn)行，因齒輪箱軸承軸竄、機(jī)械振動(dòng)、軸承磨損以及聯(lián)軸器螺栓預(yù)緊力松弛等影響，引起軸系中心發(fā)生偏移，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間間隙改變(見圖5)。

節(jié)約人力、物力、財(cái)力的消耗是提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段，也是成本控制應(yīng)遵循的最基本原則[2].一是嚴(yán)格執(zhí)行限額領(lǐng)料制度、工程聯(lián)系單制度，對(duì)施工過程中各項(xiàng)材料消耗進(jìn)行控制和監(jiān)督；二是采取預(yù)防成本失控的技術(shù)組織措施，制止在施工中可能發(fā)生的一切浪費(fèi).

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不同心產(chǎn)生的轉(zhuǎn)軸縱向磁化

在這種情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上除了隨基本頻率變化而產(chǎn)生的主磁通ΔΦ外，同時(shí)存在環(huán)繞轉(zhuǎn)軸不相等的漏磁通Φ1和Φ2。如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間間隙δ1和δ2的不均衡度超出允許值，就會(huì)因發(fā)電機(jī)交變主磁通的磁阻不均而產(chǎn)生環(huán)繞轉(zhuǎn)軸的感應(yīng)交變電動(dòng)勢(shì)，從而在轉(zhuǎn)子和軸承支路中形成軸電流。

另外，隨著運(yùn)行中變頻系統(tǒng)逆變器IGBT通斷改變，在發(fā)電機(jī)定子和外殼之間的高頻容性漏電流感應(yīng)形成高頻軸電壓[8]。如果軸承潤滑油膜擊穿，則會(huì)與軸承支路閉合，形成環(huán)路軸電流。

1.4 接地電阻不良產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子軸電流

如果發(fā)電機(jī)接地效果不良，接地電阻變大，電流就會(huì)向電阻值低的方向流動(dòng)，當(dāng)通過聯(lián)軸器和齒輪箱軸承時(shí)，則形成轉(zhuǎn)子軸電流。因發(fā)電機(jī)與齒輪箱的聯(lián)軸器具有較好的絕緣性能，所以形成轉(zhuǎn)子軸電流必要條件是聯(lián)軸器絕緣破壞。

2 軸電流的危害分析

2.1 電磁干擾(EMI)

PWM變流器共模電壓是軸電流的成因之一，變頻器本身帶來的電磁兼容等負(fù)面影響關(guān)注程度也越來越高[9]。以IGBT作為核心部件的逆變器系統(tǒng)中存在寄生電容，會(huì)因電路不平衡將共模電流轉(zhuǎn)為差模電流。IGBT的開關(guān)頻率一般為1～5 kHz，在PWM調(diào)制過程中產(chǎn)生的du/dt可達(dá)到5～15 kV/μs以上，IGBT的C與E之間電壓跳變所產(chǎn)生的共模干擾對(duì)變流器的性能是一個(gè)巨大的考驗(yàn)[10]。目前，IGBT典型的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間在50～100 ns，共模電壓的跳變時(shí)間也與之類似。共模電流越大，頻率越高，差模干擾的幅度就越大，導(dǎo)致IGBT驅(qū)動(dòng)器工作可靠性降低。因此，會(huì)給整個(gè)變頻系統(tǒng)帶來很強(qiáng)的EMC電磁干擾。

一般雙饋機(jī)組的變流器都是放在塔架的底部，通過塔筒內(nèi)的傳輸電纜將發(fā)電機(jī)與變流器連接到一起。IGBT開關(guān)過程中不可避免地產(chǎn)生電壓尖峰，因du/dt產(chǎn)生的高頻電流，會(huì)在傳輸電纜上形成突變電磁場，對(duì)其周圍風(fēng)機(jī)的控制電纜以及通信電纜造成電磁干擾，影響風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 發(fā)電機(jī)軸承電蝕

通過圖4可知，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，三相繞組對(duì)地電壓每次突變時(shí)，都會(huì)通過電容Cwr給并聯(lián)等效電容Cg充電。當(dāng)Cg的端電壓大于軸承潤滑油膜的擊穿電壓時(shí)，Cg內(nèi)存儲(chǔ)的電荷通過軸承滾道表面的擊穿點(diǎn)，產(chǎn)生高密度的脈沖電流，瞬間產(chǎn)生高溫使軸承局部燒傷。由于滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈滾道與滾珠的接觸面積小，對(duì)軸電流的反應(yīng)敏感，當(dāng)軸電流大于2 A時(shí)，幾小時(shí)內(nèi)即可能損傷[11]。隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，高頻軸電壓擊穿油膜放電，軸承表面凹坑不斷增多，破壞軸承內(nèi)圈、滾動(dòng)體、外圈的光潔度，逐漸積累形成了滾道表面肉眼可見的搓衣板紋[12](見圖6)，導(dǎo)致軸承潤滑惡化，滾珠與滾道損傷、游隙過大、超溫等現(xiàn)象，甚至軸承完全損壞從而產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)或停機(jī)。

圖6 軸承電蝕

2.3 接地碳刷及齒輪箱軸承損壞

發(fā)電機(jī)軸承非驅(qū)動(dòng)端安裝的集電環(huán)，是為了降低軸電位，減少發(fā)電機(jī)軸上積累的電荷量，并將產(chǎn)生的軸電流通過碳刷導(dǎo)入接地系統(tǒng)。當(dāng)碳刷接觸良好時(shí)，電阻較小，軸電流能夠得到快速釋放，保護(hù)機(jī)組及設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)碳刷接觸不良時(shí)(刷握彈簧壓力不足、碳刷表面不平、接觸面積小、機(jī)組振動(dòng)等)，電阻增大，接地碳刷因發(fā)熱過快而異常磨損或?qū)е滤⑽针娢g(見圖7)，并且容易造成發(fā)電機(jī)內(nèi)電壓過大，產(chǎn)生局部環(huán)流。

圖7 接地碳刷刷握電蝕

通過圖3的并聯(lián)等效電路圖可知，當(dāng)接地電阻較大時(shí)，會(huì)造成發(fā)電機(jī)軸承支路電流變大，加快等效電容Cg的充電時(shí)間，進(jìn)一步加劇發(fā)電機(jī)軸承EDM電流的觸發(fā)概率。同時(shí)，如果發(fā)電機(jī)與齒輪箱的聯(lián)軸器絕緣破壞時(shí)，觸發(fā)轉(zhuǎn)子軸電流，流經(jīng)齒輪箱時(shí)，可能會(huì)造成齒輪箱軸承損壞。

3 軸電流抑制與釋放方案

PWM變頻器的共模電壓與電機(jī)內(nèi)容性耦合產(chǎn)生軸電流是不可避免的，逆變器載波頻率越高，軸電流中的du/dt電流成分越多。而EDM的出現(xiàn)帶有偶然性，只有在軸承潤滑油膜被擊穿或者軸承內(nèi)部發(fā)生接觸故障時(shí)才會(huì)發(fā)生。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接地效果不良是環(huán)流形成的主要因素。轉(zhuǎn)子軸電流觸發(fā)的概率極低，可忽略不計(jì)。針對(duì)以上原因，發(fā)電機(jī)軸電流優(yōu)化方案可分為兩部分，一是利用共模扼流原理抑制軸電流的產(chǎn)生，二是利用多點(diǎn)接地釋放軸電流。

3.1 安裝共模扼流圈抑制軸電流

a.共模扼流圈工作原理

共模扼流圈是由2個(gè)繞向相同、匝數(shù)相同的繞組及磁心構(gòu)成的電感器，具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁通量同向相加，感抗增大，扼流圈呈現(xiàn)高阻抗，以此衰減共模電流，從而起到抑制共模電壓的作用[13]。共模扼流圈實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向?yàn)V波器，一方面利用共模電感的漏感產(chǎn)生適量的差模電感起到抑制差模電流的作用[14]，濾除PWM變流系統(tǒng)高頻特性和電壓的快速變化產(chǎn)生的EMI。另一方面通過提高回路共模阻抗以降低電動(dòng)機(jī)端共模分壓，從而減小軸電壓和軸電流[15]。

b.共模扼流圈安裝效果驗(yàn)證

變流器是共模電流和共模電壓產(chǎn)生的根源，因此，需要將共模扼流圈安裝在變流器輸出端的電纜線上(見圖8)。另外，變流器與發(fā)電機(jī)的連接電纜一般都超過60 m，而分布電容與電纜的長度為線性關(guān)系，建議在電機(jī)側(cè)也加裝少量的共模扼流圈，以消除電纜的分布效應(yīng)。

圖8 變流器輸出端共模扼流圈安裝情況

某風(fēng)場1.5 MW雙饋機(jī)組變流器安裝共模扼流圈前共模電流最大值為36 A，峰-峰值為73.6 A，并且寄生的高頻毛刺很多。安裝共模扼流圈后共模電流最大值為18.8 A，峰-峰值為36.8 A。共模電流得到有效抑制，峰-峰值降低了50%，寄生的高頻毛刺明顯減少(見圖9)。

圖9 共模扼流圈安裝前后共模電流波形

3.2 發(fā)電機(jī)多點(diǎn)接地釋放軸電流

高頻電流始終存于變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，為防止發(fā)電機(jī)集電環(huán)碳刷接地不良而引起的負(fù)面效應(yīng)，按照EMC電磁兼容性要求，在發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端加裝等電位接地碳刷。將刷架安裝在驅(qū)動(dòng)軸端蓋上，并將碳刷報(bào)警串聯(lián)到集電環(huán)接地報(bào)警回路中，將接地線圍繞電機(jī)引到非驅(qū)動(dòng)端集電環(huán)地線并通過轉(zhuǎn)子接線盒導(dǎo)出，從而減小系統(tǒng)中高頻電流產(chǎn)生的壓降，提升接地系統(tǒng)可靠性。通過驅(qū)動(dòng)端安裝接地碳刷前后波形圖對(duì)比，發(fā)電機(jī)多點(diǎn)接地對(duì)釋放軸電壓具有明顯的效果(見圖10)。

(a)安裝前 (b)安裝后圖10 驅(qū)動(dòng)端安裝接地碳刷前后波形

圖10中：通道1為傳動(dòng)端軸對(duì)軸承蓋螺栓的軸電壓；通道2為傳動(dòng)端軸對(duì)非傳動(dòng)端接地塊的電壓；通道3為傳動(dòng)端軸電流；通道4為非傳動(dòng)端軸電流。

4 結(jié)論

研究分析了雙饋機(jī)組軸電流的成因及產(chǎn)生的危害，提出了采用共模扼流圈和多點(diǎn)接地的方案抑制并釋放軸電流，并利用案例進(jìn)行了實(shí)施效果驗(yàn)證。

a.采用PWM調(diào)制的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，IGBT開關(guān)過程中產(chǎn)生的共模電壓是形成發(fā)電機(jī)軸電流的主要根源。

b.在變頻器與發(fā)電機(jī)之間傳輸電纜安裝共模扼流圈，可有效降低IGBT開關(guān)過程中產(chǎn)生的du/dt高頻EMI，衰減并抑制共模電流。同時(shí)，利用發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端安裝多點(diǎn)接地碳刷，以串聯(lián)的方式接入到接地回路，對(duì)降低軸電壓具有明顯效果。

c.通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出，軸電流的抑制與釋放方案可有效解決發(fā)電機(jī)軸承電蝕，在雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中具有良好的推廣應(yīng)用前景。