雙饋風電機組傳動系統(tǒng)高頻軸電壓抑制技術開發(fā)及應用

（1. 華能新能源股份有限公司，北京 100036；2. 南車株洲電力機車研究所有限公司風電事業(yè)部，湖南 株洲 412001）

（1. 華能新能源股份有限公司，北京 100036；2. 南車株洲電力機車研究所有限公司風電事業(yè)部，湖南 株洲 412001）

針對雙饋風電機組高頻軸電壓的特點，本文概述分析了高頻軸電壓產(chǎn)生的原理和造成的危害，詳述了對高頻軸電壓的抑制措施，并在風電場推廣應用，實踐驗證了高頻軸電壓綜合抑制技術的有效性。

雙饋；風力發(fā)電；軸電壓；抑制

0 引言

在風力發(fā)電領域，為了提高風能利用率及電能質量，廣泛采用變頻調速的傳動形式?，F(xiàn)代大型風電機組普遍采用的PWM（脈沖寬度調制）變頻器，既帶來了動態(tài)響應快、調節(jié)精度高等優(yōu)點，但也不可避免地產(chǎn)生了一些負面影響，比如變頻器在風電機組傳動系統(tǒng)上產(chǎn)生高頻軸電壓。

軸電壓是非常有害的，軸電壓傳導至雙饋發(fā)電機，可以導致發(fā)電機軸承油膜放電擊穿，使發(fā)電機軸承產(chǎn)生搓衣板紋，如圖1所示，造成機組振動過大和軸承逐步失效；軸電壓向前可通過聯(lián)軸器（或聯(lián)軸器的寄生電容，通過容性耦合傳導）傳導到齒輪箱，使齒輪箱的軸承也發(fā)生電腐蝕，如圖2所示，最終造成軸承失效；軸電壓向后傳導可損壞發(fā)電機速度編碼器。對于齒輪箱、發(fā)電機這類大部件，由于安裝在距離地面近百米高的機艙上，空間受限，人員不便到達，大型機械設備更換困難，一旦發(fā)生損壞，造成的維護費用將非常高昂。

軸電壓是當前風電領域的熱點問題，一部分早期投運風電場隨著機組并網(wǎng)運行時間的增加，逐漸爆發(fā)了批次性齒輪箱、發(fā)電機軸承故障，需現(xiàn)場更換軸承等部件。昂貴的吊裝費用、維修工時費、配件成本費、機組停機電量損失讓風電運營企業(yè)和機組制造廠商都深感壓力巨大。因此,我們必須對軸電壓采取抑制措施，使其在軸承上產(chǎn)生的損害降低到可以接受的范圍，保證風電機組在20年設計壽命期內安全、可靠的運行。

1 高頻軸電壓的產(chǎn)生及危害

由于風電機組變頻器采用PWM的調制方式，功率器件在快速開關時刻不可避免地產(chǎn)生電壓尖峰，該尖峰的電壓變化率(dv/dt)極高，可超過3000V/μs，該尖峰電壓對應的頻率約為1MHz[1]，可以輕易地通過傳動系統(tǒng)的寄生電容、寄生電感耦合至電機的軸，再傳導(或通過絕緣層容性耦合)至軸承的內圈，擊穿油膜后傳導至軸承外圈，外圈通過傳導（或通過容性耦合）與地形成回路，產(chǎn)生高頻軸承電流。由于油膜被高頻軸電壓擊穿時，擊穿點面積非常小，致使電流密度非常大，在擊穿點局部產(chǎn)生極高的溫度，使其金屬分子熔融或直接蒸發(fā)。如此長期逐漸積累，在軸承上形成肉眼可見的搓衣板紋，最終導致軸承失效[2]。

在采用PWM變頻器驅動的發(fā)電機系統(tǒng)中，共模電壓的高頻成分通過電機的寄生電容耦合至電機的旋轉軸上。大型雙饋電機寄生參數(shù)分布如圖3所示。

在軸承未采用絕緣措施的發(fā)電機上，軸承的內圈套在軸上，內圈與軸等電位。軸承外圈與發(fā)電機端蓋相連，端蓋被固定在機座上，而機座與系統(tǒng)零電位點相連或直接接地，此時，在軸承的內外圈之間形成了電位差, 其產(chǎn)生的軸電壓波形如圖4所示。

潤滑油在軸承旋轉過程中會產(chǎn)生油膜，所形成的寄生電容記為Cb，如圖5所示，Cb電容值大小主要受油膜厚度的影響，而油膜的厚度由油脂的特性、電機的轉速及油脂的溫度等因素決定。風電機組在高空擺動情況下將造成軸承油膜不穩(wěn)定，一旦Cb上的電壓高于油膜能承受的電壓時，油膜被擊穿，Cb內存儲的電荷通過極小的擊穿點導通放電，在軸承滾道表面微小的金屬面上產(chǎn)生極高的電流密度，瞬間產(chǎn)生極高的熱量使放電點的金屬熔化，形成凹坑，如圖6所示。隨著風電機組運行時間的不斷增加，由于高頻軸電壓擊穿油膜放電而持續(xù)形成的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，逐漸積累形成了滾動體表面肉眼可見的搓衣板紋，最終導致軸承由于游隙過大、振動過大、溫升過高等因素失效。

雙饋風電機組傳動系統(tǒng)高頻軸電壓如果不能被有效抑制，振動超限、軸承電腐蝕損壞等傳動系統(tǒng)機械故障必將大面積爆發(fā)，給風力發(fā)電運營企業(yè)造成巨額的吊裝費用、維修費用和停機電量損失，嚴重影響風電場的安全生產(chǎn)運營。

圖1 某型雙饋發(fā)電機電腐蝕后的驅動端軸承

圖2 某型雙饋機組齒輪箱軸承電腐蝕

圖3 大型雙饋電機寄生參數(shù)分布

圖4 某型雙饋機組滿功率下的軸電壓（橫軸：時 間，800uS/div；縱軸：電壓幅值，20V/div）

2 高頻軸電壓的抑制

當前國內外對于軸電壓抑制主要措施有[3]：（1）變頻器輸出端，加裝dv/dt電感、dv/dt濾波器、正弦波濾波器、共模電抗器等，其電路結構如圖7所示；（2）變頻器采用特殊的調制算法或共模濾波器，如圖8所示；（3）特殊電纜（如屏蔽電纜等）和布線模式；（4）絕緣軸承；（5）低阻抗油脂；（6）陶瓷混合軸承；（7）對轉子進行電磁屏蔽；（8）絕緣耦合；（9）旁路接地。

上述9種方案，第一種由于體積較大，工程難度較難，成本較高，不適合對已投運風電機組進行改造；第二種方案需改變變頻器控制算法，其負面影響是諧波含量將上升，直流電壓利用率大幅下降，也不適用于已投運風電機組的改造；第三種方案雖較容易實施，但抑制效果有限，不能將軸電壓降低到保證傳動系統(tǒng)軸承安全的程度；第四種方案，軸承的絕緣層必須足夠厚，才能將寄生電容降低到足夠低，使通過容性耦合傳導的軸電壓降低至滿足要求，受限于當前工藝技術水平，軸承的絕緣層厚度尚無法達到要求；第五種方案低阻抗油脂雖然能對軸電壓提供旁路通道，保護軸承，但其本身的潤滑效果較差，將嚴重縮短軸承使用壽命；第六種方案使用陶瓷球軸承，缺點是陶瓷球軸承過于昂貴；第七種方案對轉子進行電磁屏蔽，這對于已投運機組來說，無法現(xiàn)場改造；第八種方案可使用絕緣端蓋將轉子絕緣起來，切斷軸電壓形成回路的通道，但對于已投運風電機組的改造有一定的難度，是可行方案之一；第九種是采用軸承端接地，在軸承的內滾道和外滾道之間創(chuàng)造一條低阻抗通路，對軸承進行旁路，軸電壓不經(jīng)軸承傳導，就能避免軸承發(fā)生電腐蝕。

分析關于軸電壓抑制的幾種方案后，吸收各方案的優(yōu)點，根據(jù)雙饋風電機組傳動系統(tǒng)軸電壓產(chǎn)生、傳導的原理，立足于對現(xiàn)已投運風電機組進行整改的可行性和軸電壓抑制的有效性，再綜合考慮成本等因素，本文創(chuàng)新性地提出了高頻軸電壓綜合抑制措施，其具體實施方案如下：

（1）變頻器輸出端安裝共模抑制磁環(huán)；

（2）發(fā)電機驅動側的軸承端安裝接地裝置；

（3）發(fā)電機更換軸承絕緣端蓋、更換高絕緣等級聯(lián)軸器萬向節(jié)等措施。

在變頻器輸出端安裝共模抑制磁環(huán)，對共模電流產(chǎn)生高頻阻抗，從源頭抑制傳動系統(tǒng)高頻軸電壓的產(chǎn)生。在發(fā)電機驅動側的軸承端安裝滑環(huán)和碳刷，對其進行接地，如圖10所示，發(fā)電機機端的軸電壓就通過接地回路而旁路，不再經(jīng)過聯(lián)軸器傳導或通過其寄生電容耦合到齒輪箱，齒輪箱軸承得到保護。對發(fā)電機軸承端蓋采取絕緣措施，將原來不絕緣的發(fā)電機端蓋更換為絕緣端蓋，從電路上切斷了軸電壓經(jīng)發(fā)電機軸承形成回路的路徑，沒有高頻軸電流從軸承上流過。另一方面，通過加強聯(lián)軸器萬向節(jié)、速度編碼器接線等部件的絕緣等級，有利于切斷高頻軸電壓傳導回路，保護部件不被擊穿放電。發(fā)電機軸承絕緣端蓋如圖9所示，對其進行耐壓試驗，要求其絕緣電壓足夠高，機械強度足夠大。

圖5 軸承等效電容

圖6 軸承放電后形成的電腐蝕（放大10000倍）

圖7 采用dv/dt濾波器抑制軸電壓

圖8 采用共模電抗器抑制軸電壓

本抑制方案通過多方面綜合抑制了傳動系統(tǒng)高頻軸電壓，經(jīng)大量試驗、反復驗證，對抑制裝置進行了多次優(yōu)化，保證軸的溫升、軸承的溫升、驅動端和非驅動端軸承接地裝置之間的環(huán)路電流、驅動端接地裝置電流、非驅動端接地裝置電流等都在安全范圍內，同時經(jīng)樣機長時間試點考核、確認方案的安全性、有效性后，最終大規(guī)模推廣應用，取得了顯著整改效果。采用本方案，整改前后某一臺雙饋風電機組軸電壓如圖11（改前）和圖12（改后）所示。根據(jù)近300臺風電機組的整改應用表明，軸電壓典型峰峰值已由整改前的150V降至約5V，傳動系統(tǒng)軸電壓情況得到了明顯的改善。對抑制后的軸電壓進行分析，其主要頻率成分已由未抑制前的600KHz－900KHz降低至15KHz-18KHz，高頻成分明顯減少，且在測試中未再發(fā)現(xiàn)軸承油膜擊穿放電的典型波形，齒輪箱和發(fā)電機的軸承得到了有效保護。

圖9 雙饋電機的絕緣端蓋

圖10 雙饋電機軸接地

圖12 整改后軸電壓波形

圖13 整改前后驅動端軸電壓對比

3 雙饋機組高頻軸電壓抑制的推廣應用

針對風電場批次性出現(xiàn)的發(fā)電機和齒輪箱的軸承損壞故障，通過梳理故障情況和大量工廠試驗測試，深入研究了雙饋風電機組傳動系統(tǒng)軸電壓的產(chǎn)生原理、軸承電腐蝕原理、軸電壓傳導回路及回路特性等問題，并從2011年6月開始試驗室模擬風電機組的各種工況，對比各種抑制方案的優(yōu)缺點，初步形成了傳動系統(tǒng)軸電壓綜合抑制方案。

2011年10月在遼寧某風電場1號機組上進行試點整改驗證，一個月后，又擴展到該風電場4、22、30號風電機組。經(jīng)過各種工況下、不同品牌發(fā)電機的實踐試點運行近一年時間，以及多次進行方案優(yōu)化，考核包括溫升、電氣、振動等測試數(shù)據(jù)全部滿足安全要求，傳動系統(tǒng)軸電壓大幅下降，高頻成分明顯減少，整改效果顯著，于2012年10月在內蒙古某風場進行了首次批量整改，整改前后軸電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 整改前后軸電壓數(shù)據(jù)

從整改效果看，機組軸電壓峰峰值均出現(xiàn)了大幅降低，機組傳動系統(tǒng)故障率顯著下降，軸承壽命顯著增長，整改后機組在近期未再發(fā)生軸承電腐蝕失效故障，取得了良好的整改效果，通過實踐進一步證明了傳動系統(tǒng)高頻軸電壓綜合抑制技術及其理論的科學性，對風電行業(yè)技術的發(fā)展做出了有益探索和貢獻。隨著實踐的深入，該項技術及其原理還將更廣泛的應用于其他品牌、全序列功率等級的雙饋風電機組，也可推廣至其它類型風電機組的軸電壓抑制，如采用鼠籠異步電機的全功率變頻風電機組和采用雙PWM變頻器的永磁/電勵磁全功率風電機組等，提升機組運行可靠性，降低設備故障率，減少檢修維護成本，增加風電場經(jīng)營效益，有效提高風電場生產(chǎn)管理水平。

4 結語

當前我國風力發(fā)電行業(yè)迅速發(fā)展，但技術基礎薄弱，只有不斷提高機組的可靠性，降低機組維護成本，才能確保風電場安全生產(chǎn)運營，并在復雜多變的政策形勢和激烈的行業(yè)競爭中居于領先地位。

解決雙饋機組與生俱來的高頻軸電壓問題，降低傳動系統(tǒng)故障次數(shù)，延長軸承壽命，在風力發(fā)電行業(yè)具有廣闊的應用前景，對夯實風電場安全生產(chǎn)基礎、提升運營水平、創(chuàng)建一流企業(yè)具有重要意義。

[1]姜姝艷. 現(xiàn)代變頻調速系統(tǒng)負面效應研究及其對策[R].哈爾濱理工大學博士后研究工作報告,2007（5）：6-12.

[2] J H Dymond et al: Significance of joints due to lamination segmentation on shaft currents in induction machines, GE Industrial Systems, Peterborough,Ontario K9J7B5, Canada .

[3]姜保軍. PWM電機驅動系統(tǒng)傳導共模EMI抑制技術的研究現(xiàn)狀[J].電氣傳動, 2008(8):3-9.

雙饋風電機組傳動系統(tǒng)高頻軸電壓抑制技術開發(fā)及應用

葉林1，趙燕峰2

The Development and Application of A Method to Suppress Highfrequency Shaft Voltage in Doubly-fed Wind Turbine Drive System

Ye Lin1, Zhao Yanfeng2
(1. Huaneng Renewables Co., Ltd., Beijing 100036, China; 2. CSR Zhuzhou Institute Co., Ltd., Zhuzhou, Hunan 412001, China)

This paper analyzed the cause of high-frequency shaft voltage and its related harm in doubly-fed wind turbine architecture.Measures to suppress the high-frequency shavoltage are detailed and put into practice in pilot wind farms. The e ff ectiveness of the measures are approved by fi eld data.

doubly-fed; wind power; shaft voltage; suppression

TM614

A

1674-9219(2013)07-0070-06

2013-05-22。

葉林（1976-），男，碩士，長期從事風電運行維護管理和技術工作。