双馈异步风力发电机的轴电流分析
刘瑞芳 任雪娇 陈嘉垚
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171320
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导语
双馈异步发电机是目前主流风力发电机型之一，然而变流器产生的共模电压通过电机杂散电容在电机转轴上感应出轴电压并产生轴电流，使得轴承产生早期失效，造成风电机组停机、烧毁，影响着风力发电系统的安全稳定运行。预测双馈异步风力发电机轴电流并寻找抑制方法对降低此类故障的发生率具有重要意义。
本文建立了双馈异步风力发电机轴电流分析模型，并给出了发电机杂散电容的数值计算和测量方法。对一台1.5MW双馈异步发电机进行分析，发现仅需考虑转子侧共模电压对轴电压的影响，可得出简化轴电流模型。轴电压灵敏度分析表明减小转子绕组和转子铁心之间的杂散电容Crwr是抑制轴电压和轴电流的有效途径。
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研究背景
轴承内、外滚道之间的轴承电压超过其润滑油膜阈值电压而发生击穿时，会产生放电电流。瞬间放电释放的热量会造成润滑脂成分变性、恶化并使轴承表面产生坑蚀，引起轴承失效。变频供电交流电动机的轴电流问题在工业应用中很早就被认识到了。在新能源发电领域，随着双馈异步风力发电机的广泛应用，其轴电流问题也不断出现，通过统计发现双馈风力发电机中轴承电蚀问题最为严重。
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论文所解决的问题及意义
据统计，1~2MW风力发电机中轴承故障占比为70%，而且风力发电机都安装在离地面很高的地方，其维护和检修复杂且费用高昂。因此预测轴电压和轴电流对双馈风力发电机的轴承电腐蚀问题的研究有重要意义。
为了准确预测轴电压和轴电流，需要建立准确的电机轴电流分析模型。本文首先建立了双馈异步风力发电机的轴电流等效分析模型，并提出基于电磁场数值计算和测试的电机杂散电容参数提取方法。通过测试导出简化的轴电流分析模型，并对各电容参数对轴电压的影响进行灵敏度分析，提出一种抑制双馈异步发电机轴电流的新方案。
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论文的方法及创新点
1）由双馈风力发电机内部杂散电容的分布，提出双馈异步发电机分析完整模型，如图1所示。
图1 双馈异步发电机轴电流分析完整模型
2）提出了双馈电机杂散电容计算和测量方法。从电场的角度看，电机内存在四部分导体，分别为定子绕组、转子绕组、转子铁芯/转轴和定子铁芯/机壳。基于多导体部分电容理论，采用有限元数值计算可以获得电机内杂散电容。实际测试时，采用电容表的两个表笔接四个等效导体的中任意两个，测量它们之间的等效电容。由电机杂散电容分布电路得出6个等效电容与电机内杂散电容关系，进行联立求解可以获得电机内的杂散电容。
3）针对一台1.5MW双馈异步发电机进行分析，发现双馈异步发电机定子侧共模电压引起的轴电压很小，可以忽略。因此可将图1模型简化，仅考虑转子侧共模电压，如图2所示。
图2 双馈异步发电机轴电流简化模型
4）通过杂散电容对轴电压灵敏度分析，发现转子绕组和转子铁心间的电容 Crwr是影响轴承分压比的关键参数，如图3所示。减小Crwr可以抑制轴电压和轴电流。
图3 Crwr和Crf变化对于轴承分压比的影响
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结论
本文针对双馈异步发电机建立了完整的轴电流等效模型，并给出了电机杂散电容参数的计算和测试方法。对具体算例进行分析，发现模型仅需考虑转子侧共模电压对轴电压的影响，可采用简化等效电路分析轴电流。轴电压的灵敏度分析结果表明，减小转子绕组和转子铁心间的电容Crwr是抑制轴电压和轴电流的一个有效途径。
刘瑞芳, 任雪娇, 陈嘉垚. 双馈异步风力发电机的轴电流分析[J]. 电工技术学报, 2018, 33(19): 4517-4525.
Liu Ruifang, Ren Xuejiao, Chen Jiayao. Analysis of Bearing Currents in Doubly-Fed Induction Wind Turbines[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(19): 4517-4525.
作者简介
北京交通大学
北京交通大学电气工程学院轴电流研究组由刘瑞芳副教授指导，课题组目前承担国家自然科学基金项目——轴电流对双馈异步风力发电机轴承破坏度与发展趋势及抑制策略研究（51777008）。
刘瑞芳 女，1971年生，副教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电机系统集成分析、电磁场理论与数值计算。
任雪娇 女，1991年生，硕士研究生，研究方向为电力电子与电机系统集成分析。