基于雙饋風力發電機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展有限公司，遼寧 沈陽 110181)

隨著世界能源技術革命的轉型發展，風力發電技術日漸成熟。雙饋型變速恒頻風力發電機組因其具有追蹤最大風能的控制優勢[1]，得到了廣泛的應用，已經成為目前風電行業的主流技術之一。

雙饋異步風力發電機組的并網通過兩電平電壓型PWM變頻器實現，使發電機的調速性能顯著提高。但是，PWM變頻器本身共模電壓在發電機內部耦合電容作用下形成軸電流，已經嚴重威脅機組的安全穩定運行。

近年來，因軸電流導致發電機軸承損壞的情況呈逐年上升的趨勢，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]，引起業內廣泛關注與研究。

1 軸電流的成因分析

發電機運行時，轉軸兩端之間或軸與軸承之間產生的電位差構成回路，形成軸電流。雙饋型變速恒頻風力發電機組中的軸電流主要有以下4個類型(見圖1)：高頻電流(HF Current)、靜電放電電流(EDM Current)、環流(Circular Current)和轉子軸電流(Rotor Shatt Current)[3]。

圖1 雙饋發電機軸電流類型

1.1 共模電壓產生的高頻電流

目前雙饋異步風力發電系統中廣泛應用的轉子勵磁變換器采用脈寬調制技術(PWM)，由2個完全相同的兩電平、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

由于發電機輸出的電壓為非標準正弦波，電壓的頻率、幅值、相位都在隨時間變化，因三相電壓矢量和不為零而發生零點漂移，在發電機與變頻器系統中產生零序電壓，即共模電壓[4]。

當采用PWM控制時，系統中的高頻諧波分量與發電機內分布電容之間相互耦合，通過發電機轉子、軸承、定子等構成系統的共模回路，在共模電壓的作用下產生軸電流(見圖3)。一般來說，軸電壓達到500 mV就容易產生有害的軸電流[5]。這種共模回路的電壓以高頻振蕩并與轉子容性耦合，產生轉軸對地的脈沖電壓，峰值可達10～40 V[6]。

圖3 發電機共模回路和等效電路

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

1.2 軸承油膜擊穿放電產生的EDM電流

發電機轉子運行時，在其前、后軸承的支撐下旋轉，軸承內、外滾道與滾珠之間的絕緣油膜相當于一個電容(見圖4)。

圖4 發電機軸承內部電容及等效電路

圖4中：Cb1為軸承內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并聯等效電容(見圖3)。

當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，相當于Kb導通，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，與轉子回路斷開，不產生軸電流。

1.3 磁路不均衡產生的軸電流

雙饋機組的發電機轉軸與齒輪箱高速軸通過聯軸器連接，機組長期在變工況下運行，因齒輪箱軸承軸竄、機械振動、軸承磨損以及聯軸器螺栓預緊力松弛等影響，引起軸系中心發生偏移，導致發電機轉子與定子之間間隙改變(見圖5)。

節約人力、物力、財力的消耗是提高經濟效益的重要手段，也是成本控制應遵循的最基本原則[2].一是嚴格執行限額領料制度、工程聯系單制度，對施工過程中各項材料消耗進行控制和監督；二是采取預防成本失控的技術組織措施，制止在施工中可能發生的一切浪費.

圖5 發電機轉子不同心產生的轉軸縱向磁化

在這種情況下，發電機轉子上除了隨基本頻率變化而產生的主磁通ΔΦ外，同時存在環繞轉軸不相等的漏磁通Φ1和Φ2。如果發電機轉子與定子之間間隙δ1和δ2的不均衡度超出允許值，就會因發電機交變主磁通的磁阻不均而產生環繞轉軸的感應交變電動勢，從而在轉子和軸承支路中形成軸電流。

另外，隨著運行中變頻系統逆變器IGBT通斷改變，在發電機定子和外殼之間的高頻容性漏電流感應形成高頻軸電壓[8]。如果軸承潤滑油膜擊穿，則會與軸承支路閉合，形成環路軸電流。

1.4 接地電阻不良產生的轉子軸電流

如果發電機接地效果不良，接地電阻變大，電流就會向電阻值低的方向流動，當通過聯軸器和齒輪箱軸承時，則形成轉子軸電流。因發電機與齒輪箱的聯軸器具有較好的絕緣性能，所以形成轉子軸電流必要條件是聯軸器絕緣破壞。

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面影響關注程度也越來越高[9]。以IGBT作為核心部件的逆變器系統中存在寄生電容，會因電路不平衡將共模電流轉為差模電流。IGBT的開關頻率一般為1～5 kHz，在PWM調制過程中產生的du/dt可達到5～15 kV/μs以上，IGBT的C與E之間電壓跳變所產生的共模干擾對變流器的性能是一個巨大的考驗[10]。目前，IGBT典型的開通時間和關斷時間在50～100 ns，共模電壓的跳變時間也與之類似。共模電流越大，頻率越高，差模干擾的幅度就越大，導致IGBT驅動器工作可靠性降低。因此，會給整個變頻系統帶來很強的EMC電磁干擾。

一般雙饋機組的變流器都是放在塔架的底部，通過塔筒內的傳輸電纜將發電機與變流器連接到一起。IGBT開關過程中不可避免地產生電壓尖峰，因du/dt產生的高頻電流，會在傳輸電纜上形成突變電磁場，對其周圍風機的控制電纜以及通信電纜造成電磁干擾，影響風機系統的安全穩定運行。

2.2 發電機軸承電蝕

通過圖4可知，電機運轉過程中，三相繞組對地電壓每次突變時，都會通過電容Cwr給并聯等效電容Cg充電。當Cg的端電壓大于軸承潤滑油膜的擊穿電壓時，Cg內存儲的電荷通過軸承滾道表面的擊穿點，產生高密度的脈沖電流，瞬間產生高溫使軸承局部燒傷。由于滾動軸承內、外圈滾道與滾珠的接觸面積小，對軸電流的反應敏感，當軸電流大于2 A時，幾小時內即可能損傷[11]。隨著風電機組運行時間的不斷增加，高頻軸電壓擊穿油膜放電，軸承表面凹坑不斷增多，破壞軸承內圈、滾動體、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)，導致軸承潤滑惡化，滾珠與滾道損傷、游隙過大、超溫等現象，甚至軸承完全損壞從而產生噪聲、振動或停機。

圖6 軸承電蝕

2.3 接地碳刷及齒輪箱軸承損壞

發電機軸承非驅動端安裝的集電環，是為了降低軸電位，減少發電機軸上積累的電荷量，并將產生的軸電流通過碳刷導入接地系統。當碳刷接觸良好時，電阻較小，軸電流能夠得到快速釋放，保護機組及設備的安全穩定運行。當碳刷接觸不良時(刷握彈簧壓力不足、碳刷表面不平、接觸面積小、機組振動等)，電阻增大，接地碳刷因發熱過快而異常磨損或導致刷握電蝕(見圖7)，并且容易造成發電機內電壓過大，產生局部環流。

圖7 接地碳刷刷握電蝕

通過圖3的并聯等效電路圖可知，當接地電阻較大時，會造成發電機軸承支路電流變大，加快等效電容Cg的充電時間，進一步加劇發電機軸承EDM電流的觸發概率。同時，如果發電機與齒輪箱的聯軸器絕緣破壞時，觸發轉子軸電流，流經齒輪箱時，可能會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內容性耦合產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的出現帶有偶然性，只有在軸承潤滑油膜被擊穿或者軸承內部發生接觸故障時才會發生。發電機系統接地效果不良是環流形成的主要因素。轉子軸電流觸發的概率極低，可忽略不計。針對以上原因，發電機軸電流優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生，二是利用多點接地釋放軸電流。

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個繞向相同、匝數相同的繞組及磁心構成的電感器，具有高飽和磁感應強度。當共模電流流經線圈時，線圈產生的磁通量同向相加，感抗增大，扼流圈呈現高阻抗，以此衰減共模電流，從而起到抑制共模電壓的作用[13]。共模扼流圈實質上是一個雙向濾波器，一方面利用共模電感的漏感產生適量的差模電感起到抑制差模電流的作用[14]，濾除PWM變流系統高頻特性和電壓的快速變化產生的EMI。另一方面通過提高回路共模阻抗以降低電動機端共模分壓，從而減小軸電壓和軸電流[15]。

b.共模扼流圈安裝效果驗證

變流器是共模電流和共模電壓產生的根源，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，變流器與發電機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系，建議在電機側也加裝少量的共模扼流圈，以消除電纜的分布效應。

圖8 變流器輸出端共模扼流圈安裝情況

某風場1.5 MW雙饋機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 發電機多點接地釋放軸電流

高頻電流始終存于變頻驅動系統中，為防止發電機集電環碳刷接地不良而引起的負面效應，按照EMC電磁兼容性要求，在發電機的驅動端加裝等電位接地碳刷。將刷架安裝在驅動軸端蓋上，并將碳刷報警串聯到集電環接地報警回路中，將接地線圍繞電機引到非驅動端集電環地線并通過轉子接線盒導出，從而減小系統中高頻電流產生的壓降，提升接地系統可靠性。通過驅動端安裝接地碳刷前后波形圖對比，發電機多點接地對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 驅動端安裝接地碳刷前后波形

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

4 結論

研究分析了雙饋機組軸電流的成因及產生的危害，提出了采用共模扼流圈和多點接地的方案抑制并釋放軸電流，并利用案例進行了實施效果驗證。

a.采用PWM調制的雙饋型風力發電機組，IGBT開關過程中產生的共模電壓是形成發電機軸電流的主要根源。

b.在變頻器與發電機之間傳輸電纜安裝共模扼流圈，可有效降低IGBT開關過程中產生的du/dt高頻EMI，衰減并抑制共模電流。同時，利用發電機驅動端安裝多點接地碳刷，以串聯的方式接入到接地回路，對降低軸電壓具有明顯效果。

c.通過試驗驗證得出，軸電流的抑制與釋放方案可有效解決發電機軸承電蝕，在雙饋型風力發電機組中具有良好的推廣應用前景。