雙饋異步風(fēng)電機(jī)組諧波產(chǎn)生原因分析

段志強(qiáng)，黃國(guó)杰，何慶峰，鐘紹輝

（永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司，山西 044502）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電以其清潔、無(wú)污染、建設(shè)周期短、運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為發(fā)展新能源和可再生能源的重點(diǎn)領(lǐng)域。近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電在全球得到了迅速發(fā)展，無(wú)論在規(guī)模上還是在水平上都有了很大提高。發(fā)電機(jī)的類型也從定槳距失速型發(fā)展到了變槳距變速恒頻運(yùn)行的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和直驅(qū)型永磁同步風(fēng)電機(jī)組。DFIG憑借其可以方便地實(shí)現(xiàn)變速恒頻，靈活地進(jìn)行有功和無(wú)功的獨(dú)立調(diào)節(jié)，較小的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁容量等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。在目前新安裝的風(fēng)電機(jī)組中占到了很大的比重。DFIG實(shí)際上是一種交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，它的勵(lì)磁電流是由背靠背的變流器供給的。因此，DFIG和變流器形成了一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于勵(lì)磁磁勢(shì)產(chǎn)生于氣隙圓周的磁勢(shì)波不是單純的基波磁勢(shì)，從而導(dǎo)致在定子側(cè)產(chǎn)生諧波，諧波對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電能質(zhì)量有著直接的影響，從而影響到整個(gè)電網(wǎng)的質(zhì)量。如果不對(duì)諧波加以抑制或限制，很難提升風(fēng)電在整個(gè)電力系統(tǒng)的占有比率。

1 DFIG運(yùn)行過(guò)程中的內(nèi)在諧波分析

1.1 繞組中輸入正弦交流電時(shí)DFIG的空間諧波

電機(jī)學(xué)中討論的繞組電勢(shì)是在氣隙磁場(chǎng)為正弦分布的情況下進(jìn)行分析的，此時(shí)的繞組電勢(shì)的波形是嚴(yán)格的正弦波[1]。然而,實(shí)際的電機(jī)中，即使繞組中的電流隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，由于定、轉(zhuǎn)子開(kāi)槽和繞組非集中布置，使得氣隙磁勢(shì)含有不同程度的諧波，氣隙磁場(chǎng)由磁勢(shì)建立，這樣就使得氣隙磁場(chǎng)并非完全按照正弦規(guī)律分布。因此，繞組內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)也不完全是正弦波，即除了正弦波形的基波外還包含著一系列諧波。如果磁極制造沒(méi)有特殊缺陷，N極和S極下的磁密分布波是對(duì)稱的。同時(shí)，每極下磁密波對(duì)磁極中心線也是對(duì)稱的。在此條件下，磁密的空間諧波中就只有奇次諧波，即v＝1，3，5，7，9……。

攝影：小曲

下面就對(duì)氣隙中任一旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)波產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行分析。為了簡(jiǎn)化分析，假定氣隙均勻，并且只有定子開(kāi)槽，轉(zhuǎn)子是光滑的。此時(shí)的氣隙磁導(dǎo)可以表示為：

其中：λ0為平均氣隙磁導(dǎo)，

設(shè)氣隙中有一轉(zhuǎn)速為n1的v次諧波磁勢(shì)，其表達(dá)式為：

其中：Fv為諧波幅值；

vp為諧波極對(duì)數(shù)；

vω為諧波角速度。

該諧波在氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)為：

將（3）式進(jìn)行展開(kāi)

其中：

從上式可以看出，任意一個(gè)v次諧波磁勢(shì)都在氣隙中產(chǎn)生三種諧波磁場(chǎng)：（1）基本諧波磁場(chǎng)，是一個(gè)極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速與產(chǎn)生它的諧波磁勢(shì)一樣的磁場(chǎng)；（2）極對(duì)數(shù)為kzZ+vp的齒磁導(dǎo)諧波磁場(chǎng)；（3）極對(duì)數(shù)為kzZ-vp的齒磁導(dǎo)諧波磁場(chǎng)。通過(guò)分析可知，這三種諧波磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)出相同頻率vf1的電勢(shì)。由此可見(jiàn)，v次諧波磁勢(shì)產(chǎn)生的所有磁場(chǎng)，盡管極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速各不相同，但都在定子繞組中感應(yīng)出相同頻率的電勢(shì)。這說(shuō)明電勢(shì)中諧波和磁勢(shì)中的諧波是一一對(duì)應(yīng)的，v次諧波磁勢(shì)產(chǎn)生v次諧波電勢(shì)。磁勢(shì)中存在什么諧波，電勢(shì)中就會(huì)存在同樣次數(shù)的諧波，磁勢(shì)中沒(méi)有的諧波在電勢(shì)中是不會(huì)出現(xiàn)的。這就為我們削弱或消除電勢(shì)諧波提供了理論基礎(chǔ)。

1.2 氣隙磁場(chǎng)非正弦分布產(chǎn)生諧波電勢(shì)的危害和削弱方法

DFIG電勢(shì)中如果存在高次諧波，會(huì)產(chǎn)生許多如下不良影響：

（1）發(fā)電機(jī)本身的附加損耗增加，效率下降，溫升增高；

要因地制宜，嫁接本地資源稟賦。廣袤農(nóng)村，自然條件、資源稟賦、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)等不同，解決方案各異。學(xué)習(xí)典型，絕不能簡(jiǎn)單復(fù)制粘貼，流于表面。如果機(jī)械照搬，會(huì)導(dǎo)致水土不服。比如財(cái)力吃緊的地區(qū)可通過(guò)多元化渠道籌措資金，投工投勞，補(bǔ)上資金缺口。再如人才不足的地區(qū)，可主動(dòng)尋求與高等院校合作，借力“外腦”發(fā)揮人才支撐作用。典型經(jīng)驗(yàn)不是萬(wàn)能鑰匙，應(yīng)立足實(shí)際，一把鑰匙開(kāi)一把鎖。

（2）可能引起輸電線路的電感和電容發(fā)生諧振，產(chǎn)生過(guò)電壓[2]；

（3）對(duì)鄰近的通訊線路產(chǎn)生干擾；

（4）使DFIG產(chǎn)生有害的附加轉(zhuǎn)矩，造成電機(jī)性能變壞。

在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，應(yīng)盡可能削弱電勢(shì)中的高次諧波。數(shù)學(xué)分析和實(shí)踐表明，諧波次數(shù)愈高，它的幅值愈小，對(duì)電勢(shì)波形的影響也愈小[3]。所以，影響電勢(shì)波形的主要是3、5、7、9等次諧波。所以在設(shè)計(jì)繞組時(shí)，主要考慮削弱或者消除3、5、7、9等次諧波電勢(shì)。對(duì)于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，主要有以下幾種常用的方法：

（1）對(duì)稱三相繞組的連接消除了線電勢(shì)中的3次及其倍數(shù)奇次諧波。

三相繞組可以連接成星接或角接，由于三相電勢(shì)中的3次諧波在相位上彼此相差360°，即它們是同相位、同大小的。當(dāng)三相繞組采用星接時(shí)，線電勢(shì)中的3次諧波電勢(shì)互相抵消，所以發(fā)電機(jī)輸出的線電勢(shì)中不存在3次諧波。而當(dāng)繞組采用角接時(shí)，在閉合的三角形回路內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，3次諧波電勢(shì)正好等于3次諧波環(huán)流所引起的阻抗壓降，所以在線電壓中不會(huì)出現(xiàn)3次諧波。同理，也不會(huì)出現(xiàn)3的倍數(shù)次諧波。無(wú)論三相繞組采用星接或角接，線電壓中不存在3及3的倍數(shù)次諧波，這是三相繞組在電勢(shì)方面的優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)采用角接時(shí)，由于閉合回路中的3次諧波環(huán)流引起附加損耗，使電機(jī)效率降低，溫升增加，所以現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)一般采用星接。

（2）用短距繞組削弱諧波電勢(shì)，一般選用5/6倍的極距，這樣可以同時(shí)削弱5、7次諧波電勢(shì)。

（3）采用分布繞組削弱高次諧波電勢(shì)，盡可能選擇較大的每極每相槽數(shù)。

（4）采用磁性槽楔或半閉口槽，以減小由于槽開(kāi)口而引起的氣隙磁導(dǎo)變化。

（5）采用斜槽削弱齒諧波電勢(shì)。

（6）采用分?jǐn)?shù)槽繞組。

2 變頻器供電后DFIG的諧波分析

2.1 繞組由變頻器勵(lì)磁后的時(shí)間諧波

變頻電源輸出的波形稱為PWM波，線電壓和線電流波形見(jiàn)圖1。它可以分解出一系列的諧波，在典型的三相對(duì)稱系統(tǒng)中，一般只存在除了3及其倍數(shù)次之外的奇次諧波，即諧波次數(shù)為k＝6n±1。對(duì)其進(jìn)行傅立葉分解，可以得到以下的電源電壓表達(dá)式：

式中：Uk為k次諧波電壓的有效值；

θk為k次諧波電壓的初相位；

ω1為基波角頻率。

當(dāng)k=6n+1時(shí)，所得的電壓為各次正序諧波分量；當(dāng)k=6n－1時(shí)，所得的電壓為各次負(fù)序諧波分量，其中，n=1,2,3…。

由此可知，當(dāng)DFIG的轉(zhuǎn)子采用電壓型PWM變頻器勵(lì)磁后，變頻器輸出的電流不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，該電流將通過(guò)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的作用在定子側(cè)產(chǎn)生有害的諧波電壓和電流。定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波是實(shí)際應(yīng)用中非常受關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。隨著雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大，諧波對(duì)于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行會(huì)帶來(lái)較大的影響。在并網(wǎng)前，定子空載電壓波中含有大量的諧波，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成無(wú)法并網(wǎng)。并網(wǎng)后在強(qiáng)電網(wǎng)中電壓畸變率不大，諧波主要表現(xiàn)為定子電流中的諧波分量。但在弱電網(wǎng)或獨(dú)立電網(wǎng)中，定子電壓和電流都會(huì)變現(xiàn)出明顯的畸變。諧波問(wèn)題在定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)都存在，但由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子功率分配的特點(diǎn)，定子側(cè)諧波對(duì)電網(wǎng)的影響大于轉(zhuǎn)子側(cè)。

2.2 減小變頻器勵(lì)磁轉(zhuǎn)子諧波電流的方法

為了減小電壓型PWM變頻器勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子諧波電流，從而削弱時(shí)間諧波對(duì)定子側(cè)的諧波電壓和電流的影響，可以從以下兩方面著手考慮：

圖1 變流器輸出線電壓和線電流波形

（1）變流器本身加裝諧波抑制裝置[4]。

（2）適當(dāng)增大轉(zhuǎn)子的電阻和漏抗、定子的電阻和漏抗以及定轉(zhuǎn)子互感參數(shù)。

3 DFIG的諧波檢測(cè)結(jié)果

以上從電機(jī)本體和電壓型PWM變頻器勵(lì)磁兩方面對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)諧波進(jìn)行了分析，并且給出了減小諧波電壓和電流的方法。同時(shí)，我們?cè)谶M(jìn)行雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，就著重從減小電機(jī)諧波電壓和電流的角度對(duì)電機(jī)的繞組設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。圖2是一雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的諧波檢測(cè)結(jié)果，該結(jié)果是在專用的兆瓦級(jí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)量的，檢測(cè)方法按照IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出電機(jī)的諧波電流總畸變率為1.49%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雙饋異步發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波電流總畸變率小于5%的要求。

4 結(jié)論

雙饋異步風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生諧波在所難免，如何消除或抑制諧波發(fā)生或把其降低到最低限度，是問(wèn)題的關(guān)鍵。通過(guò)理論研究和實(shí)踐，文中提出的各種方法不僅僅是拋磚引玉，實(shí)際上是行之有效的，具有一定的參考價(jià)值。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新能力的提高，更多新的方法將不斷出現(xiàn)，風(fēng)電的質(zhì)量將會(huì)隨著科技的不斷進(jìn)步得到全面提升。

圖2 雙饋異步風(fēng)電機(jī)組額定運(yùn)行狀態(tài)的諧波

攝影：俞澤衛(wèi)

[1] 許實(shí)章.電機(jī)學(xué) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]王鳳翔.交流電機(jī)的非正弦供電 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[3]（捷）B.海勒爾 V.哈馬塔.異步電機(jī)中諧波磁場(chǎng)的作用 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[4] 吳忠智.變頻器應(yīng)用手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.