基于双馈风力发电机组轴电流抑制与释放的研究

裴兆芹，荆海城，郭晓东

(国家电投东北新能源发展有限公司，辽宁 沈阳 110181)

随着世界能源技术革命的转型发展，风力发电技术日渐成熟。双馈型变速恒频风力发电机组因其具有追踪最大风能的控制优势[1]，得到了广泛的应用，已经成为目前风电行业的主流技术之一。

双馈异步风力发电机组的并网通过两电平电压型PWM变频器实现，使发电机的调速性能显著提高。但是，PWM变频器本身共模电压在发电机内部耦合电容作用下形成轴电流，已经严重威胁机组的安全稳定运行。

近年来，因轴电流导致发电机轴承损坏的情况呈逐年上升的趋势，特别是随着PWM变频器广泛使用IGBT等高性能器件而以惊人的速度增加[2]，引起业内广泛关注与研究。

1 轴电流的成因分析

发电机运行时，转轴两端之间或轴与轴承之间产生的电位差构成回路，形成轴电流。双馈型变速恒频风力发电机组中的轴电流主要有以下4个类型(见图1)：高频电流(HF Current)、静电放电电流(EDM Current)、环流(Circular Current)和转子轴电流(Rotor Shatt Current)[3]。

图1 双馈发电机轴电流类型

1.1 共模电压产生的高频电流

目前双馈异步风力发电系统中广泛应用的转子励磁变换器采用脉宽调制技术(PWM)，由2个完全相同的两电平、电压型、三相PWM变换器通过直流母线连接而成(见图2)。

图2 两电平电压型PWM变频器

由于发电机输出的电压为非标准正弦波，电压的频率、幅值、相位都在随时间变化，因三相电压矢量和不为零而发生零点漂移，在发电机与变频器系统中产生零序电压，即共模电压[4]。

当采用PWM控制时，系统中的高频谐波分量与发电机内分布电容之间相互耦合，通过发电机转子、轴承、定子等构成系统的共模回路，在共模电压的作用下产生轴电流(见图3)。一般来说，轴电压达到500 mV就容易产生有害的轴电流[5]。这种共模回路的电压以高频振荡并与转子容性耦合，产生转轴对地的脉冲电压，峰值可达10～40 V[6]。

图3 发电机共模回路和等效电路

图3中：Cwh为定子绕组与外壳之间电容；Cwr为定子绕组与转子之间电容；Crh为转子与外壳之间电容；Zb为转轴与外壳之间阻抗；Cb为轴承与电机外壳之间电容；Zn为轴承与电机外壳之间电阻；Rb为轴承套与滚珠之间的电阻。

1.2 轴承油膜击穿放电产生的EDM电流

发电机转子运行时，在其前、后轴承的支撑下旋转，轴承内、外滚道与滚珠之间的绝缘油膜相当于一个电容(见图4)。

图4 发电机轴承内部电容及等效电路

图4中：Cb1为轴承内圈与滚珠之间的电容；Cb2为轴承外圈与滚珠之间的电容；Cg为Crh与Cb并联等效电容(见图3)。

当Cg的电压大于轴承滚珠与滚道之间润滑油膜的击穿电压时，相当于Kb导通，该支路成为轴电流回路的一部分，等效电路中的电容Cg会在轴承滚珠与滚道之间通过瞬间的高电流脉冲放电，即EDM电流[7]。反之，滚珠与滚道之间电压小于油膜的击穿电压时，与转子回路断开，不产生轴电流。

1.3 磁路不均衡产生的轴电流

双馈机组的发电机转轴与齿轮箱高速轴通过联轴器连接，机组长期在变工况下运行，因齿轮箱轴承轴窜、机械振动、轴承磨损以及联轴器螺栓预紧力松弛等影响，引起轴系中心发生偏移，导致发电机转子与定子之间间隙改变(见图5)。

节约人力、物力、财力的消耗是提高经济效益的重要手段，也是成本控制应遵循的最基本原则[2].一是严格执行限额领料制度、工程联系单制度，对施工过程中各项材料消耗进行控制和监督；二是采取预防成本失控的技术组织措施，制止在施工中可能发生的一切浪费.

图5 发电机转子不同心产生的转轴纵向磁化

在这种情况下，发电机转子上除了随基本频率变化而产生的主磁通ΔΦ外，同时存在环绕转轴不相等的漏磁通Φ1和Φ2。如果发电机转子与定子之间间隙δ1和δ2的不均衡度超出允许值，就会因发电机交变主磁通的磁阻不均而产生环绕转轴的感应交变电动势，从而在转子和轴承支路中形成轴电流。

另外，随着运行中变频系统逆变器IGBT通断改变，在发电机定子和外壳之间的高频容性漏电流感应形成高频轴电压[8]。如果轴承润滑油膜击穿，则会与轴承支路闭合，形成环路轴电流。

1.4 接地电阻不良产生的转子轴电流

如果发电机接地效果不良，接地电阻变大，电流就会向电阻值低的方向流动，当通过联轴器和齿轮箱轴承时，则形成转子轴电流。因发电机与齿轮箱的联轴器具有较好的绝缘性能，所以形成转子轴电流必要条件是联轴器绝缘破坏。

2 轴电流的危害分析

2.1 电磁干扰(EMI)

PWM变流器共模电压是轴电流的成因之一，变频器本身带来的电磁兼容等负面影响关注程度也越来越高[9]。以IGBT作为核心部件的逆变器系统中存在寄生电容，会因电路不平衡将共模电流转为差模电流。IGBT的开关频率一般为1～5 kHz，在PWM调制过程中产生的du/dt可达到5～15 kV/μs以上，IGBT的C与E之间电压跳变所产生的共模干扰对变流器的性能是一个巨大的考验[10]。目前，IGBT典型的开通时间和关断时间在50～100 ns，共模电压的跳变时间也与之类似。共模电流越大，频率越高，差模干扰的幅度就越大，导致IGBT驱动器工作可靠性降低。因此，会给整个变频系统带来很强的EMC电磁干扰。

一般双馈机组的变流器都是放在塔架的底部，通过塔筒内的传输电缆将发电机与变流器连接到一起。IGBT开关过程中不可避免地产生电压尖峰，因du/dt产生的高频电流，会在传输电缆上形成突变电磁场，对其周围风机的控制电缆以及通信电缆造成电磁干扰，影响风机系统的安全稳定运行。

2.2 发电机轴承电蚀

通过图4可知，电机运转过程中，三相绕组对地电压每次突变时，都会通过电容Cwr给并联等效电容Cg充电。当Cg的端电压大于轴承润滑油膜的击穿电压时，Cg内存储的电荷通过轴承滚道表面的击穿点，产生高密度的脉冲电流，瞬间产生高温使轴承局部烧伤。由于滚动轴承内、外圈滚道与滚珠的接触面积小，对轴电流的反应敏感，当轴电流大于2 A时，几小时内即可能损伤[11]。随着风电机组运行时间的不断增加，高频轴电压击穿油膜放电，轴承表面凹坑不断增多，破坏轴承内圈、滚动体、外圈的光洁度，逐渐积累形成了滚道表面肉眼可见的搓衣板纹[12](见图6)，导致轴承润滑恶化，滚珠与滚道损伤、游隙过大、超温等现象，甚至轴承完全损坏从而产生噪声、振动或停机。

图6 轴承电蚀

2.3 接地碳刷及齿轮箱轴承损坏

发电机轴承非驱动端安装的集电环，是为了降低轴电位，减少发电机轴上积累的电荷量，并将产生的轴电流通过碳刷导入接地系统。当碳刷接触良好时，电阻较小，轴电流能够得到快速释放，保护机组及设备的安全稳定运行。当碳刷接触不良时(刷握弹簧压力不足、碳刷表面不平、接触面积小、机组振动等)，电阻增大，接地碳刷因发热过快而异常磨损或导致刷握电蚀(见图7)，并且容易造成发电机内电压过大，产生局部环流。

图7 接地碳刷刷握电蚀

通过图3的并联等效电路图可知，当接地电阻较大时，会造成发电机轴承支路电流变大，加快等效电容Cg的充电时间，进一步加剧发电机轴承EDM电流的触发概率。同时，如果发电机与齿轮箱的联轴器绝缘破坏时，触发转子轴电流，流经齿轮箱时，可能会造成齿轮箱轴承损坏。

3 轴电流抑制与释放方案

PWM变频器的共模电压与电机内容性耦合产生轴电流是不可避免的，逆变器载波频率越高，轴电流中的du/dt电流成分越多。而EDM的出现带有偶然性，只有在轴承润滑油膜被击穿或者轴承内部发生接触故障时才会发生。发电机系统接地效果不良是环流形成的主要因素。转子轴电流触发的概率极低，可忽略不计。针对以上原因，发电机轴电流优化方案可分为两部分，一是利用共模扼流原理抑制轴电流的产生，二是利用多点接地释放轴电流。

3.1 安装共模扼流圈抑制轴电流

a.共模扼流圈工作原理

共模扼流圈是由2个绕向相同、匝数相同的绕组及磁心构成的电感器，具有高饱和磁感应强度。当共模电流流经线圈时，线圈产生的磁通量同向相加，感抗增大，扼流圈呈现高阻抗，以此衰减共模电流，从而起到抑制共模电压的作用[13]。共模扼流圈实质上是一个双向滤波器，一方面利用共模电感的漏感产生适量的差模电感起到抑制差模电流的作用[14]，滤除PWM变流系统高频特性和电压的快速变化产生的EMI。另一方面通过提高回路共模阻抗以降低电动机端共模分压，从而减小轴电压和轴电流[15]。

b.共模扼流圈安装效果验证

变流器是共模电流和共模电压产生的根源，因此，需要将共模扼流圈安装在变流器输出端的电缆线上(见图8)。另外，变流器与发电机的连接电缆一般都超过60 m，而分布电容与电缆的长度为线性关系，建议在电机侧也加装少量的共模扼流圈，以消除电缆的分布效应。

图8 变流器输出端共模扼流圈安装情况

某风场1.5 MW双馈机组变流器安装共模扼流圈前共模电流最大值为36 A，峰-峰值为73.6 A，并且寄生的高频毛刺很多。安装共模扼流圈后共模电流最大值为18.8 A，峰-峰值为36.8 A。共模电流得到有效抑制，峰-峰值降低了50%，寄生的高频毛刺明显减少(见图9)。

图9 共模扼流圈安装前后共模电流波形

3.2 发电机多点接地释放轴电流

高频电流始终存于变频驱动系统中，为防止发电机集电环碳刷接地不良而引起的负面效应，按照EMC电磁兼容性要求，在发电机的驱动端加装等电位接地碳刷。将刷架安装在驱动轴端盖上，并将碳刷报警串联到集电环接地报警回路中，将接地线围绕电机引到非驱动端集电环地线并通过转子接线盒导出，从而减小系统中高频电流产生的压降，提升接地系统可靠性。通过驱动端安装接地碳刷前后波形图对比，发电机多点接地对释放轴电压具有明显的效果(见图10)。

(a)安装前 (b)安装后图10 驱动端安装接地碳刷前后波形

图10中：通道1为传动端轴对轴承盖螺栓的轴电压；通道2为传动端轴对非传动端接地块的电压；通道3为传动端轴电流；通道4为非传动端轴电流。

4 结论

研究分析了双馈机组轴电流的成因及产生的危害，提出了采用共模扼流圈和多点接地的方案抑制并释放轴电流，并利用案例进行了实施效果验证。

a.采用PWM调制的双馈型风力发电机组，IGBT开关过程中产生的共模电压是形成发电机轴电流的主要根源。

b.在变频器与发电机之间传输电缆安装共模扼流圈，可有效降低IGBT开关过程中产生的du/dt高频EMI，衰减并抑制共模电流。同时，利用发电机驱动端安装多点接地碳刷，以串联的方式接入到接地回路，对降低轴电压具有明显效果。

c.通过试验验证得出，轴电流的抑制与释放方案可有效解决发电机轴承电蚀，在双馈型风力发电机组中具有良好的推广应用前景。