李芃、陆强、李宁
国投哈密风电有限公司 新疆 哈密 839000
[摘要]近年来，我国的风电装机容量和发电量快速增长，成为新能源中排名第一的能源，也是仅次于火电、水电的第三大电源。目前，在大型并网型风电机组中，双馈机组是一种主要的机型。
[关键词] 双馈风力发电机、轴承、轴电压
0 引言
双馈风力发电机组通过变流器与发电机转子相连，变流器根据双馈发电机的转速和电网工况，调整其输出电压的频率、相位和幅值，使双馈发电机定子产生频率、相位和幅值与电网一致的电能，以实现直接并网运行，转子同时向电网传输电能或从电网吸收电能。变流器容量通常为机组容量的1/3，为实现更大风速范围内的并网运行，双馈变流器需实现能量的双向流动，因此必须采用全控型功率器件。目前，双馈型变流器均为两电平电压源PWM（脉冲宽度调制）式，且均采用IGBT作为其功率元件。但是，随着变流器的广泛应用，发现其存在一些显著的负面效应：两电平电压源PWM式变流器的三相瞬态输出之和不为零，存在较高频次的共模电压。对于双馈风力发电系统，机侧变流器和网侧变流器各自产生的共模电压均会在轴上感应出轴电压。除过共模电压在轴上感应出的轴电压之外，发电机在正常运行时，由于磁不对称、轴向漏磁通以及励磁谐波电流的影响，也会使发电机产生轴电压。风力发电机组的运行寿命通常被要求在20 年以上，轴电压对轴承的危害会严重影响机组的可靠性，因此必须设法抑制，将其降低至可以接受的范围内。
一 轴电压的产生及其危害
轴电压是共模电压的一个分量，是共模电压通过与电机寄生电容耦合作用而产生的结果。另一方面，不均匀磁场、漏磁通和高次谐波磁通的作用下，在发电机轴上也会产生轴电压。
1 共模电压作用下的轴电压
1.1共模电压
双馈风力发电机组，其机侧变流器通过碳刷、滑环与双馈发电机的转子绕组连接；网侧变流器通过并网回路上的并网接触器、并网开关与发电机的定子绕组连接；并网回路连接至箱式变压器系统，经升压后由输电线路输出。如图一所示：
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在发电机转子变流器驱动系统中，在发电机转子三相绕组中性点处，将存在共模电压，即逆变器输出的零序电压，其大小由式(1)给出。
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其中，为共模电压；、和为发电机转子各相相电压。
由电压源PWM变流器驱动的系统中共模电压始终存在。虽然逆变器输出的差模电压中不存在共模成分，但是，由共模电压产生的泄漏电流还会流过负载。这个电流大小取决于系统、电路结构和接地元件的阻抗，且要消耗输入功率，还将对负载产生破坏作用。
1.2共模电压的幅值
根据式(a)，如果发电机转子接三相对称正弦电压源，则，系统中不存在由共模电压带来的危害。如果接电压源变流器，将存在共模电压，其产生的共模电压与开关速度，开关状态和直流母线电压有关。即不论采用什么PWM策略，共模电压都存在。共模电压具有高和高幅值电压脉冲特性。在快速开关逆变器中，共模电压幅值可达几百伏，其可达每秒几千伏。在这一频率和幅值水平上，共模电压将对驱动系统产生显著的影响，主要体现在电机内部的寄生耦合电容上。在工频下，寄生耦合电容在电动机中的影响是微不足道；在PWM变频器中高频共模电压作用下，对耦合电容的影响就非常显著了。
1.3共模电压的傅里叶分析
根据傅里叶公式，对变流器输出三相相电压进行分析，如下列公式所示：
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式中，，为变频器输出相电压；为直流母线电压；α为调制深,为调制波角频率；为载波角频率。
上式中，每个公式中第1项是角频率为的基波成分，即输出相电压的基波幅值为，第2项为谐波成分，将上式代入公式(1)中，利用贝塞尔函数可以得到共模电压的傅立叶表达式
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上式中为共模电压，贝塞尔函数，贝塞尔函数分项。
由上式可以得出如下结论：即在调制波为正弦波的情况下，三相变频器输出共模电压中：①基波成分（频率为的成分）幅值为0，即共模电压中不含频率为调制波频率的成分；②谐波成分：载波频率在奇数倍处存在谐波，幅值为，偶数倍处无谐波；角频率为处存在谐间波，振幅为
其含义是：共模电压是以载波为中心，边频 分布其两侧，幅值两侧对称衰减的谐波；③共模电压的谐波幅值不随载波频率大小的变化而变化，但随载波频率的变化而发生相应的移动，且在一倍载波频率处的谐波幅值最大。
1.4轴电压
在采用PWM 变流器驱动的电机系统中，共模电压的高频成分通过电机的寄生电容耦合至电机的旋转轴上。大型双馈电机寄生参数分布如图二所示，其中为定子绕组与转子之间的寄生电容；为定子绕组与定子主框架之间的寄生电容；为定子绕组与转子绕组之间的寄生电容，因二者的相对位置随电机的旋转而变化，故是变化的；为转子铁心与定子铁心之间的寄生电容；为转子绕组与转子轴之间的寄生电容；为转子绕组和定子铁心之间的寄生电容；为轴承由于油脂的绝缘作用而形成的寄生电容，它主要受油膜厚度的影响，而油膜的厚度由油脂的特性、电机的转速及油脂的温度等因素决定，因此是变化的。
设双馈机组变流器的网侧部分通过并网回路作用在定子上的共模电压为，机侧部分通过机侧电气连接线作用在转子上的共模电压为，则图二可等效为图三所示的电气模型。
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根据KCL和KVL方程，双馈发电机寄生参数的等效电路模型可表达为：
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由式（8）可以看出，轴电压是共模电压的一个分量，其大小受变流器共模电压和电机寄生参数的影响，是机侧变流器、网侧变流器以及电机的寄生参数共同作用的结果。
1.5双馈发电机轴电压的作用路径
在双馈风力发电系统中，发电机的转子绕组通过滑环、碳刷和机侧的dv/dt抑制电抗器与机侧变流器相连,该电抗器一般采用普通的硅钢材料，当电压频率升高至几千赫兹时，硅钢材料的磁导率下降，根据公式 ，电抗器的电感量会随磁导率的降低而降低。例如，对于一个普通硅钢电抗器，当电压频率为50Hz时，其电感量为500H；当高频共模电压作用时，其电感量将不足2H。因此，在双馈发电机变流器中，用于消除谐波的电抗器并不能有效地衰减高频共模电压，其根本原因在于在高频共模电压频率下工作时，电抗器的电感量太小，感抗作用太弱，不能有效地抑制衰减共模电压。
在双馈风力发电系统中，共模电压作用路径主要由以下三条：（1）机侧变流器的共模电压直接传导至转子，再经寄生电容传导至定子和电机外壳；（2）机侧变流器的共模电压经电容耦合到定子后，再由线路经滤波器衰减后传导至网侧变流器，随后又回到机侧变流器，形成回路；（3）经转子耦合至电机金属构件的共模电压经接地回路，耦合至机侧变流器的柜体等，最后由柜体的耦合电容回到机侧变流器。共模电压在（1）、（3）路径上产生的传输，是发电机并网后形成轴电压的主要路径。
2 不均匀磁场、漏磁通和高次谐波磁通作用下的轴电压
2.1磁不对称引起的轴电压
由于发电机对中数据不合格，转子偏心率较大，转子与定子间气隙不均匀；定子和转子绕组放入绕组线槽之后，因硅钢片叠装、线槽空隙和通风孔等原因，使绕组线槽中存在气隙，有气隙的地方磁阻较大，根据公式（线圈匝数，励磁电流），致使主磁通不对称；转子和定子铁芯采用的硅钢片，其局部硅钢片磁导率μ存在差异，根据公式（磁场强度，磁路截面积）可知，会造成主磁通不对称；以上原因造成发电机的三相铰链磁通不对称，在发电机切割磁力线转动时，将会在转子轴上产生电动势。
2.2漏磁通引起的轴电压
在发电机正常励磁时，轴向上除过主磁通之外，还存在轴向漏磁通，根据电磁感应定律，交变的漏磁通将会在发电机前后轴承、端盖及转子轴两端感应出电动势。
2.3高次谐波磁通引起的轴电压
双馈风力发电机组励磁回路通过变频器与电网连接，正常发电时，电网电压通过变频器将交流电整流成直流电再将直流电逆变成交流输入转子侧进行励磁。由于变频器中的IGBT属于电力电子器件，在整流和逆变的过程中将会产生高次谐波电流，该电流产生的高频磁通在转子转轴上会感应出高频电动势。
由以上原因产生的基波电动势与谐波电动势叠加之后，将会使转子轴上的电动势幅值增大。
3 轴电压的危害
正常情况下，轴承与轴之间是绝缘的，轴承内外圈存在电位差；如果轴承绝缘损坏，在旋转过程中，滚动体会经油膜润滑而相对绝缘，当轴承内外圈的电位差超过油膜能承受的击穿电压时，轴承将会放电，轴承发生电蚀，如图四所示；并且在油膜击穿处形成较大的放电电流密度，在瞬间会产生高温,使轴承局部烧熔。被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅,将在轴承内表面烧出小凹坑，如图五所示。最终，轴承会因机械磨损加速而破损，机械寿命将大幅缩短。同时，轴电流的电解作用会使润滑油炭化，熔化的金属微粒掺入润滑油中，使润滑油受到污染，润滑性能变差，使轴承温度升高。
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二 轴电压的测试
现以南洋发电机为测试对象，进行轴电压的测试。具体方发如下：
1.测试工具：示波器（TDS2014C） 、铜辫接地线、导线。
2.测试目的：测量并记录发电机不同运行工况下轴承对地电压和频率分布，以便分析轴电压的高频能量对轴承的影响。
3.测试原理及方法
① 利用现有的发电机轴承接地碳刷作为轴电压的测试探头。使用示波器测量记录发电机在不同运行工况下的电压波形；（见图1）
②从现有发电机轴接地碳刷的接地线，接地点处断开，外接一根1m长（长度可根据现场接线方便进行调整），线径4mm的接地线。用示波器测量外接线上的电压波形。（见图2）。
③从现有发电机轴接地碳刷的接地线的接地点处断开，外接一根1m长（长度可根据现场接线方便进行调整）的铜辫接地线，用示波器测量外接线上的电压波形（见图3）。
④从现有发电机轴接地碳刷的接地线的接地点处断开，外接一个1Ω的标准电阻，功率大于50W，用示波器测量外接线上的电压波形（见图4）。
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步骤：① 风速在5~6m/s时，测试人员在机舱内做好准备，进行
观察测试阶段。
② 风速超过13m/s时，此时风机处于满发状态，通过主控将
发电机额定转速设置从1200rpm~1800 rpm范围内，每
100rpm设置一个测试点，观察并记录各测试点的数据。
注意事项：①测量前对线路连接情况（包括发电机本身）进行检查，保证各线路牢靠连接。
②测量过程中，要求相关技术人员全程监视，观察数据是否有较大变化，若发生较大变化的，立即记录运行时的各类工况。
5.测试结束后记录并保存准确数据，以便后期进行分析。
测量过程要求南洋电机厂家、变频器厂家均安排专业技术人员全程监视，并在测量结束后进去全面分析。
参考文献
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