雙饋異步風電機組諧波產生原因分析

段志強，黃國杰，何慶峰，鐘紹輝

（永濟新時速電機電器有限責任公司，山西 044502）

0 引言

風力發電以其清潔、無污染、建設周期短、運營成本低等優點，成為發展新能源和可再生能源的重點領域。近年來，風力發電在全球得到了迅速發展，無論在規模上還是在水平上都有了很大提高。發電機的類型也從定槳距失速型發展到了變槳距變速恒頻運行的雙饋感應發電機和直驅型永磁同步風電機組。DFIG憑借其可以方便地實現變速恒頻，靈活地進行有功和無功的獨立調節，較小的轉子勵磁容量等優點得到廣泛應用。在目前新安裝的風電機組中占到了很大的比重。DFIG實際上是一種交流勵磁發電機，它的勵磁電流是由背靠背的變流器供給的。因此，DFIG和變流器形成了一個發電系統，系統在運行過程中，由于勵磁磁勢產生于氣隙圓周的磁勢波不是單純的基波磁勢，從而導致在定子側產生諧波，諧波對發電機的輸出電能質量有著直接的影響，從而影響到整個電網的質量。如果不對諧波加以抑制或限制，很難提升風電在整個電力系統的占有比率。

1 DFIG運行過程中的內在諧波分析

1.1 繞組中輸入正弦交流電時DFIG的空間諧波

電機學中討論的繞組電勢是在氣隙磁場為正弦分布的情況下進行分析的，此時的繞組電勢的波形是嚴格的正弦波[1]。然而,實際的電機中，即使繞組中的電流隨時間按正弦規律變化，由于定、轉子開槽和繞組非集中布置，使得氣隙磁勢含有不同程度的諧波，氣隙磁場由磁勢建立，這樣就使得氣隙磁場并非完全按照正弦規律分布。因此，繞組內的感應電勢也不完全是正弦波，即除了正弦波形的基波外還包含著一系列諧波。如果磁極制造沒有特殊缺陷，N極和S極下的磁密分布波是對稱的。同時，每極下磁密波對磁極中心線也是對稱的。在此條件下，磁密的空間諧波中就只有奇次諧波，即v＝1，3，5，7，9……。

攝影：小曲

下面就對氣隙中任一旋轉磁勢波產生的磁場進行分析。為了簡化分析，假定氣隙均勻，并且只有定子開槽，轉子是光滑的。此時的氣隙磁導可以表示為：

其中：λ0為平均氣隙磁導，

設氣隙中有一轉速為n1的v次諧波磁勢，其表達式為：

其中：Fv為諧波幅值；

vp為諧波極對數；

vω為諧波角速度。

該諧波在氣隙中產生的磁場為：

將（3）式進行展開

其中：

從上式可以看出，任意一個v次諧波磁勢都在氣隙中產生三種諧波磁場：（1）基本諧波磁場，是一個極對數和轉速與產生它的諧波磁勢一樣的磁場；（2）極對數為kzZ+vp的齒磁導諧波磁場；（3）極對數為kzZ-vp的齒磁導諧波磁場。通過分析可知，這三種諧波磁場在定子繞組中感應出相同頻率vf1的電勢。由此可見，v次諧波磁勢產生的所有磁場，盡管極對數和轉速各不相同，但都在定子繞組中感應出相同頻率的電勢。這說明電勢中諧波和磁勢中的諧波是一一對應的，v次諧波磁勢產生v次諧波電勢。磁勢中存在什么諧波，電勢中就會存在同樣次數的諧波，磁勢中沒有的諧波在電勢中是不會出現的。這就為我們削弱或消除電勢諧波提供了理論基礎。

1.2 氣隙磁場非正弦分布產生諧波電勢的危害和削弱方法

DFIG電勢中如果存在高次諧波，會產生許多如下不良影響：

（1）發電機本身的附加損耗增加，效率下降，溫升增高；

要因地制宜，嫁接本地資源稟賦。廣袤農村，自然條件、資源稟賦、經濟基礎等不同，解決方案各異。學習典型，絕不能簡單復制粘貼，流于表面。如果機械照搬，會導致水土不服。比如財力吃緊的地區可通過多元化渠道籌措資金，投工投勞，補上資金缺口。再如人才不足的地區，可主動尋求與高等院校合作，借力“外腦”發揮人才支撐作用。典型經驗不是萬能鑰匙，應立足實際，一把鑰匙開一把鎖。

（2）可能引起輸電線路的電感和電容發生諧振，產生過電壓[2]；

（3）對鄰近的通訊線路產生干擾；

（4）使DFIG產生有害的附加轉矩，造成電機性能變壞。

在設計電機時，應盡可能削弱電勢中的高次諧波。數學分析和實踐表明，諧波次數愈高，它的幅值愈小，對電勢波形的影響也愈小[3]。所以，影響電勢波形的主要是3、5、7、9等次諧波。所以在設計繞組時，主要考慮削弱或者消除3、5、7、9等次諧波電勢。對于雙饋感應發電機來說，主要有以下幾種常用的方法：

（1）對稱三相繞組的連接消除了線電勢中的3次及其倍數奇次諧波。

三相繞組可以連接成星接或角接，由于三相電勢中的3次諧波在相位上彼此相差360°，即它們是同相位、同大小的。當三相繞組采用星接時，線電勢中的3次諧波電勢互相抵消，所以發電機輸出的線電勢中不存在3次諧波。而當繞組采用角接時，在閉合的三角形回路內產生環流，3次諧波電勢正好等于3次諧波環流所引起的阻抗壓降，所以在線電壓中不會出現3次諧波。同理，也不會出現3的倍數次諧波。無論三相繞組采用星接或角接，線電壓中不存在3及3的倍數次諧波，這是三相繞組在電勢方面的優點。但當采用角接時，由于閉合回路中的3次諧波環流引起附加損耗，使電機效率降低，溫升增加，所以現代同步發電機一般采用星接。

（2）用短距繞組削弱諧波電勢，一般選用5/6倍的極距，這樣可以同時削弱5、7次諧波電勢。

（3）采用分布繞組削弱高次諧波電勢，盡可能選擇較大的每極每相槽數。

（4）采用磁性槽楔或半閉口槽，以減小由于槽開口而引起的氣隙磁導變化。

（5）采用斜槽削弱齒諧波電勢。

（6）采用分數槽繞組。

2 變頻器供電后DFIG的諧波分析

2.1 繞組由變頻器勵磁后的時間諧波

變頻電源輸出的波形稱為PWM波，線電壓和線電流波形見圖1。它可以分解出一系列的諧波，在典型的三相對稱系統中，一般只存在除了3及其倍數次之外的奇次諧波，即諧波次數為k＝6n±1。對其進行傅立葉分解，可以得到以下的電源電壓表達式：

式中：Uk為k次諧波電壓的有效值；

θk為k次諧波電壓的初相位；

ω1為基波角頻率。

當k=6n+1時，所得的電壓為各次正序諧波分量；當k=6n－1時，所得的電壓為各次負序諧波分量，其中，n=1,2,3…。

由此可知，當DFIG的轉子采用電壓型PWM變頻器勵磁后，變頻器輸出的電流不是標準的正弦波，該電流將通過電機氣隙磁場的作用在定子側產生有害的諧波電壓和電流。定子側和轉子側對電網產生的諧波是實際應用中非常受關注的一個問題。隨著雙饋感應發電機系統容量的不斷擴大，諧波對于雙饋感應發電機的運行會帶來較大的影響。在并網前，定子空載電壓波中含有大量的諧波，嚴重時會造成無法并網。并網后在強電網中電壓畸變率不大，諧波主要表現為定子電流中的諧波分量。但在弱電網或獨立電網中，定子電壓和電流都會變現出明顯的畸變。諧波問題在定子側和轉子側都存在，但由于雙饋感應發電機定轉子功率分配的特點，定子側諧波對電網的影響大于轉子側。

2.2 減小變頻器勵磁轉子諧波電流的方法

為了減小電壓型PWM變頻器勵磁的轉子諧波電流，從而削弱時間諧波對定子側的諧波電壓和電流的影響，可以從以下兩方面著手考慮：

圖1 變流器輸出線電壓和線電流波形

（1）變流器本身加裝諧波抑制裝置[4]。

（2）適當增大轉子的電阻和漏抗、定子的電阻和漏抗以及定轉子互感參數。

3 DFIG的諧波檢測結果

以上從電機本體和電壓型PWM變頻器勵磁兩方面對雙饋感應發電機諧波進行了分析，并且給出了減小諧波電壓和電流的方法。同時，我們在進行雙饋感應發電機的設計時，就著重從減小電機諧波電壓和電流的角度對電機的繞組設計和參數設計進行了優化。圖2是一雙饋感應發電機的諧波檢測結果，該結果是在專用的兆瓦級雙饋感應發電機試驗臺進行測量的，檢測方法按照IEC 標準規定執行。從試驗結果可以看出電機的諧波電流總畸變率為1.49%，遠遠低于雙饋異步發電機標準規定的諧波電流總畸變率小于5%的要求。

4 結論

雙饋異步風電機組產生諧波在所難免，如何消除或抑制諧波發生或把其降低到最低限度，是問題的關鍵。通過理論研究和實踐，文中提出的各種方法不僅僅是拋磚引玉，實際上是行之有效的，具有一定的參考價值。隨著科技的發展和技術創新能力的提高，更多新的方法將不斷出現，風電的質量將會隨著科技的不斷進步得到全面提升。

圖2 雙饋異步風電機組額定運行狀態的諧波

攝影：俞澤衛

[1] 許實章.電機學 [M].北京:機械工業出版社,2000.

[2]王鳳翔.交流電機的非正弦供電 [M].北京：機械工業出版社,1997.

[3]（捷）B.海勒爾 V.哈馬塔.異步電機中諧波磁場的作用 [M].北京：機械工業出版社，1982.

[4] 吳忠智.變頻器應用手冊 [M].北京：機械工業出版社，2002.