雙饋風電機組傳動系統高頻軸電壓抑制技術開發及應用

（1. 華能新能源股份有限公司，北京 100036；2. 南車株洲電力機車研究所有限公司風電事業部，湖南 株洲 412001）

（1. 華能新能源股份有限公司，北京 100036；2. 南車株洲電力機車研究所有限公司風電事業部，湖南 株洲 412001）

針對雙饋風電機組高頻軸電壓的特點，本文概述分析了高頻軸電壓產生的原理和造成的危害，詳述了對高頻軸電壓的抑制措施，并在風電場推廣應用，實踐驗證了高頻軸電壓綜合抑制技術的有效性。

雙饋；風力發電；軸電壓；抑制

0 引言

在風力發電領域，為了提高風能利用率及電能質量，廣泛采用變頻調速的傳動形式。現代大型風電機組普遍采用的PWM（脈沖寬度調制）變頻器，既帶來了動態響應快、調節精度高等優點，但也不可避免地產生了一些負面影響，比如變頻器在風電機組傳動系統上產生高頻軸電壓。

軸電壓是非常有害的，軸電壓傳導至雙饋發電機，可以導致發電機軸承油膜放電擊穿，使發電機軸承產生搓衣板紋，如圖1所示，造成機組振動過大和軸承逐步失效；軸電壓向前可通過聯軸器（或聯軸器的寄生電容，通過容性耦合傳導）傳導到齒輪箱，使齒輪箱的軸承也發生電腐蝕，如圖2所示，最終造成軸承失效；軸電壓向后傳導可損壞發電機速度編碼器。對于齒輪箱、發電機這類大部件，由于安裝在距離地面近百米高的機艙上，空間受限，人員不便到達，大型機械設備更換困難，一旦發生損壞，造成的維護費用將非常高昂。

軸電壓是當前風電領域的熱點問題，一部分早期投運風電場隨著機組并網運行時間的增加，逐漸爆發了批次性齒輪箱、發電機軸承故障，需現場更換軸承等部件。昂貴的吊裝費用、維修工時費、配件成本費、機組停機電量損失讓風電運營企業和機組制造廠商都深感壓力巨大。因此,我們必須對軸電壓采取抑制措施，使其在軸承上產生的損害降低到可以接受的范圍，保證風電機組在20年設計壽命期內安全、可靠的運行。

1 高頻軸電壓的產生及危害

由于風電機組變頻器采用PWM的調制方式，功率器件在快速開關時刻不可避免地產生電壓尖峰，該尖峰的電壓變化率(dv/dt)極高，可超過3000V/μs，該尖峰電壓對應的頻率約為1MHz[1]，可以輕易地通過傳動系統的寄生電容、寄生電感耦合至電機的軸，再傳導(或通過絕緣層容性耦合)至軸承的內圈，擊穿油膜后傳導至軸承外圈，外圈通過傳導（或通過容性耦合）與地形成回路，產生高頻軸承電流。由于油膜被高頻軸電壓擊穿時，擊穿點面積非常小，致使電流密度非常大，在擊穿點局部產生極高的溫度，使其金屬分子熔融或直接蒸發。如此長期逐漸積累，在軸承上形成肉眼可見的搓衣板紋，最終導致軸承失效[2]。

在采用PWM變頻器驅動的發電機系統中，共模電壓的高頻成分通過電機的寄生電容耦合至電機的旋轉軸上。大型雙饋電機寄生參數分布如圖3所示。

在軸承未采用絕緣措施的發電機上，軸承的內圈套在軸上，內圈與軸等電位。軸承外圈與發電機端蓋相連，端蓋被固定在機座上，而機座與系統零電位點相連或直接接地，此時，在軸承的內外圈之間形成了電位差, 其產生的軸電壓波形如圖4所示。

潤滑油在軸承旋轉過程中會產生油膜，所形成的寄生電容記為Cb，如圖5所示，Cb電容值大小主要受油膜厚度的影響，而油膜的厚度由油脂的特性、電機的轉速及油脂的溫度等因素決定。風電機組在高空擺動情況下將造成軸承油膜不穩定，一旦Cb上的電壓高于油膜能承受的電壓時，油膜被擊穿，Cb內存儲的電荷通過極小的擊穿點導通放電，在軸承滾道表面微小的金屬面上產生極高的電流密度，瞬間產生極高的熱量使放電點的金屬熔化，形成凹坑，如圖6所示。隨著風電機組運行時間的不斷增加，由于高頻軸電壓擊穿油膜放電而持續形成的軸承表面凹坑不斷增多，破壞軸承內圈、滾動體、外圈的光潔度，逐漸積累形成了滾動體表面肉眼可見的搓衣板紋，最終導致軸承由于游隙過大、振動過大、溫升過高等因素失效。

雙饋風電機組傳動系統高頻軸電壓如果不能被有效抑制，振動超限、軸承電腐蝕損壞等傳動系統機械故障必將大面積爆發，給風力發電運營企業造成巨額的吊裝費用、維修費用和停機電量損失，嚴重影響風電場的安全生產運營。

圖1 某型雙饋發電機電腐蝕后的驅動端軸承

圖2 某型雙饋機組齒輪箱軸承電腐蝕

圖3 大型雙饋電機寄生參數分布

圖4 某型雙饋機組滿功率下的軸電壓（橫軸：時 間，800uS/div；縱軸：電壓幅值，20V/div）

2 高頻軸電壓的抑制

當前國內外對于軸電壓抑制主要措施有[3]：（1）變頻器輸出端，加裝dv/dt電感、dv/dt濾波器、正弦波濾波器、共模電抗器等，其電路結構如圖7所示；（2）變頻器采用特殊的調制算法或共模濾波器，如圖8所示；（3）特殊電纜（如屏蔽電纜等）和布線模式；（4）絕緣軸承；（5）低阻抗油脂；（6）陶瓷混合軸承；（7）對轉子進行電磁屏蔽；（8）絕緣耦合；（9）旁路接地。

上述9種方案，第一種由于體積較大，工程難度較難，成本較高，不適合對已投運風電機組進行改造；第二種方案需改變變頻器控制算法，其負面影響是諧波含量將上升，直流電壓利用率大幅下降，也不適用于已投運風電機組的改造；第三種方案雖較容易實施，但抑制效果有限，不能將軸電壓降低到保證傳動系統軸承安全的程度；第四種方案，軸承的絕緣層必須足夠厚，才能將寄生電容降低到足夠低，使通過容性耦合傳導的軸電壓降低至滿足要求，受限于當前工藝技術水平，軸承的絕緣層厚度尚無法達到要求；第五種方案低阻抗油脂雖然能對軸電壓提供旁路通道，保護軸承，但其本身的潤滑效果較差，將嚴重縮短軸承使用壽命；第六種方案使用陶瓷球軸承，缺點是陶瓷球軸承過于昂貴；第七種方案對轉子進行電磁屏蔽，這對于已投運機組來說，無法現場改造；第八種方案可使用絕緣端蓋將轉子絕緣起來，切斷軸電壓形成回路的通道，但對于已投運風電機組的改造有一定的難度，是可行方案之一；第九種是采用軸承端接地，在軸承的內滾道和外滾道之間創造一條低阻抗通路，對軸承進行旁路，軸電壓不經軸承傳導，就能避免軸承發生電腐蝕。

分析關于軸電壓抑制的幾種方案后，吸收各方案的優點，根據雙饋風電機組傳動系統軸電壓產生、傳導的原理，立足于對現已投運風電機組進行整改的可行性和軸電壓抑制的有效性，再綜合考慮成本等因素，本文創新性地提出了高頻軸電壓綜合抑制措施，其具體實施方案如下：

（1）變頻器輸出端安裝共模抑制磁環；

（2）發電機驅動側的軸承端安裝接地裝置；

（3）發電機更換軸承絕緣端蓋、更換高絕緣等級聯軸器萬向節等措施。

在變頻器輸出端安裝共模抑制磁環，對共模電流產生高頻阻抗，從源頭抑制傳動系統高頻軸電壓的產生。在發電機驅動側的軸承端安裝滑環和碳刷，對其進行接地，如圖10所示，發電機機端的軸電壓就通過接地回路而旁路，不再經過聯軸器傳導或通過其寄生電容耦合到齒輪箱，齒輪箱軸承得到保護。對發電機軸承端蓋采取絕緣措施，將原來不絕緣的發電機端蓋更換為絕緣端蓋，從電路上切斷了軸電壓經發電機軸承形成回路的路徑，沒有高頻軸電流從軸承上流過。另一方面，通過加強聯軸器萬向節、速度編碼器接線等部件的絕緣等級，有利于切斷高頻軸電壓傳導回路，保護部件不被擊穿放電。發電機軸承絕緣端蓋如圖9所示，對其進行耐壓試驗，要求其絕緣電壓足夠高，機械強度足夠大。

圖5 軸承等效電容

圖6 軸承放電后形成的電腐蝕（放大10000倍）

圖7 采用dv/dt濾波器抑制軸電壓

圖8 采用共模電抗器抑制軸電壓

本抑制方案通過多方面綜合抑制了傳動系統高頻軸電壓，經大量試驗、反復驗證，對抑制裝置進行了多次優化，保證軸的溫升、軸承的溫升、驅動端和非驅動端軸承接地裝置之間的環路電流、驅動端接地裝置電流、非驅動端接地裝置電流等都在安全范圍內，同時經樣機長時間試點考核、確認方案的安全性、有效性后，最終大規模推廣應用，取得了顯著整改效果。采用本方案，整改前后某一臺雙饋風電機組軸電壓如圖11（改前）和圖12（改后）所示。根據近300臺風電機組的整改應用表明，軸電壓典型峰峰值已由整改前的150V降至約5V，傳動系統軸電壓情況得到了明顯的改善。對抑制后的軸電壓進行分析，其主要頻率成分已由未抑制前的600KHz－900KHz降低至15KHz-18KHz，高頻成分明顯減少，且在測試中未再發現軸承油膜擊穿放電的典型波形，齒輪箱和發電機的軸承得到了有效保護。

圖9 雙饋電機的絕緣端蓋

圖10 雙饋電機軸接地

圖12 整改后軸電壓波形

圖13 整改前后驅動端軸電壓對比

3 雙饋機組高頻軸電壓抑制的推廣應用

針對風電場批次性出現的發電機和齒輪箱的軸承損壞故障，通過梳理故障情況和大量工廠試驗測試，深入研究了雙饋風電機組傳動系統軸電壓的產生原理、軸承電腐蝕原理、軸電壓傳導回路及回路特性等問題，并從2011年6月開始試驗室模擬風電機組的各種工況，對比各種抑制方案的優缺點，初步形成了傳動系統軸電壓綜合抑制方案。

2011年10月在遼寧某風電場1號機組上進行試點整改驗證，一個月后，又擴展到該風電場4、22、30號風電機組。經過各種工況下、不同品牌發電機的實踐試點運行近一年時間，以及多次進行方案優化，考核包括溫升、電氣、振動等測試數據全部滿足安全要求，傳動系統軸電壓大幅下降，高頻成分明顯減少，整改效果顯著，于2012年10月在內蒙古某風場進行了首次批量整改，整改前后軸電壓數據如表1所示。

表1 整改前后軸電壓數據

從整改效果看，機組軸電壓峰峰值均出現了大幅降低，機組傳動系統故障率顯著下降，軸承壽命顯著增長，整改后機組在近期未再發生軸承電腐蝕失效故障，取得了良好的整改效果，通過實踐進一步證明了傳動系統高頻軸電壓綜合抑制技術及其理論的科學性，對風電行業技術的發展做出了有益探索和貢獻。隨著實踐的深入，該項技術及其原理還將更廣泛的應用于其他品牌、全序列功率等級的雙饋風電機組，也可推廣至其它類型風電機組的軸電壓抑制，如采用鼠籠異步電機的全功率變頻風電機組和采用雙PWM變頻器的永磁/電勵磁全功率風電機組等，提升機組運行可靠性，降低設備故障率，減少檢修維護成本，增加風電場經營效益，有效提高風電場生產管理水平。

4 結語

當前我國風力發電行業迅速發展，但技術基礎薄弱，只有不斷提高機組的可靠性，降低機組維護成本，才能確保風電場安全生產運營，并在復雜多變的政策形勢和激烈的行業競爭中居于領先地位。

解決雙饋機組與生俱來的高頻軸電壓問題，降低傳動系統故障次數，延長軸承壽命，在風力發電行業具有廣闊的應用前景，對夯實風電場安全生產基礎、提升運營水平、創建一流企業具有重要意義。

[1]姜姝艷. 現代變頻調速系統負面效應研究及其對策[R].哈爾濱理工大學博士后研究工作報告,2007（5）：6-12.

[2] J H Dymond et al: Significance of joints due to lamination segmentation on shaft currents in induction machines, GE Industrial Systems, Peterborough,Ontario K9J7B5, Canada .

[3]姜保軍. PWM電機驅動系統傳導共模EMI抑制技術的研究現狀[J].電氣傳動, 2008(8):3-9.

雙饋風電機組傳動系統高頻軸電壓抑制技術開發及應用

葉林1，趙燕峰2

The Development and Application of A Method to Suppress Highfrequency Shaft Voltage in Doubly-fed Wind Turbine Drive System

Ye Lin1, Zhao Yanfeng2
(1. Huaneng Renewables Co., Ltd., Beijing 100036, China; 2. CSR Zhuzhou Institute Co., Ltd., Zhuzhou, Hunan 412001, China)

This paper analyzed the cause of high-frequency shaft voltage and its related harm in doubly-fed wind turbine architecture.Measures to suppress the high-frequency shavoltage are detailed and put into practice in pilot wind farms. The e ff ectiveness of the measures are approved by fi eld data.

doubly-fed; wind power; shaft voltage; suppression

TM614

A

1674-9219(2013)07-0070-06

2013-05-22。

葉林（1976-），男，碩士，長期從事風電運行維護管理和技術工作。