雙饋式風力發電機的軸電流分析及防范措施研究

韓小地，徐榮鵬，李偉，王超，范明哲

（國電電力新疆新能源開發有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 前言

雙饋異步風力發電機（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）是目前風力發電系統中廣泛使用的機型之一。雙饋異步發電機實質上是一種繞線式轉子電機，由于其定、轉子都能向電網饋電，故簡稱雙饋電機。它主要通過變流器對雙饋發電機轉子電流(頻率、幅值、相位)的控制，以達到與風電機組機械部分運行特性匹配、提高風能的利用效率及改善供電質量的目的，具有變流器容量小、體積小、成本低等優點。

通過對現場故障的發電機進行分析，發現軸承失效故障在風力發電機故障中占有很大比例，隨著運行時間的增加，軸承失效頻次逐年提高，嚴重影響了機組的可靠性，產生了維修成本上升、機組可利用率降低等問題。大部分軸承失效的原因可以通過一定的機械維護手段和狀態監控操作得以避免，然而，由軸電流引起的軸承損害卻不能采取類似的方法來消除。當前，風電廠3～5MW 的風力發電機裝機數量很大，多數機組存在軸承早期損壞的問題，尤其是發電機組部分，由于軸電流對其的影響，更容易產生早期損壞。

針對此類問題，文獻[2]中提出應用頻域寄生電容法計算Hertz 軸承電流密度，該種軸承電流密度計算方法為定量評估軸承電損傷提供了理論依據。文獻[3]中研究了載波頻率和電機運行頻率對PWM 驅動感應電機的共模電壓、軸電壓、軸承電流的影響，為研究軸承電流的抑制措施,提高PWM 驅動感應電機軸承運行壽命提供理論依據。文獻[4]提出了多電平反向變流器的脈寬調制策略，以降低或消除這些變流器的共模電壓，從而達到降低或消除軸電壓的目的。文獻[5]提出了一種在電機試驗臺上在線測量軸承電壓以估計軸電壓和軸電流的方法，可以重現導致電燒蝕的典型軸電流。

本文通過對發電機組軸承早期損壞的原因、雙饋式發電機組工作時產生軸電流的原因以及改善措施、雙電平轉子部分變流器產生高次諧波的原因以及改善措施進行了廣泛討論，提出了切實可行的工程實際措施，以期達到延長軸承壽命、減小軸承電流的目的。

2 軸電流引起的軸承損壞原因分析

2.1 軸電流導致的燒蝕現象

軸電流流過軸承會產生電化學腐蝕及電燒蝕作用，瞬間放電釋放的熱量會造成潤滑脂成分變性、惡化并使軸承滾道上產生搓板紋形損傷，逐漸引起軸承失效。這也是除因機械維護不當造成軸承損壞之外的另一類主要問題，即軸電流導致的軸承損壞。大部分因機械維護不當造成的軸承失效現象都可以通過一定的維護手段和狀態監控操作得以避免，而軸電流引起的軸承損害卻不能采取類似的方法來消除。

2.2 軸電流產生的主要原因

軸電流產生的主要原因是變流器產生的共模及差模電壓。雙饋式風力發電機的變流器有兩臺，一臺設置于發電機的定子部分，一臺設置于發電機的轉子部分。發電機的轉子是三相繞組，通過三個滑環與變流器連接。轉子本身對軸是絕緣的，但由于變流器本身工作原理是PWM 脈寬調制方式，在高壓大電流晶體管開關過程中，不可避免會產生高壓尖峰脈沖電壓，該尖峰電壓的變化率極高，達到了1000～3000V/s。尖峰電壓可以輕易地通過發電機轉子繞組與軸之間的分布電容，使軸與地之間產生高電位，這是軸電壓通過軸承的阻抗轉為軸電流的一個主要原因。

其次，由于變流器的晶體管工作電壓有500～1000V,工作頻率有100～500kHz，所以即使完全沒有尖峰電壓，也會有調制波基波分量的正弦波電壓存在，因此，也會產生軸電壓和軸電流，只不過，此時的軸電壓和軸電流會比有尖峰脈沖電壓和豐富高次諧波電壓時要低一點。

以滾動軸承為例，在滾道上形成搓板紋形損傷可以充分證明有較大的電流流過，起作用的主要是兩個原因：

（1）在軸承滾動體及滾道間，電流與潤滑油中的殘酸及水分，形成電化學腐蝕。由于滾動軸承的接觸基本上是點接觸，電流密度較大，這時，會產生局部較大強度的電化學腐蝕。

（2）由于油膜是不導電的，即使潤滑油中混有水分及殘酸，電阻率仍然是較高的。滾動軸承過渡潤滑的結構導致形成的油膜不穩定，接觸電阻隨著軸轉動忽大忽小，導致間歇放電，引起軸承滾道的電火花燒蝕。由于電火花燒蝕的原因，導致滾道逐漸產生不平滑的表面，這更進一步導致接觸不良。所以一旦軸承滾道表面發生電火花燒蝕，只需要幾十伏電壓和一定電流（約0.1～2A），就會使滾道在幾周時間內形成擴大損傷的搓板紋形損傷。在線切割機床（200V 電壓，1～3A 電流）上，切割絲在幾分鐘內就可以把金屬割出幾毫米的切割口，可見電火花的燒蝕作用是不可低估的。

以上兩條相近結果但不同機理的損傷是同時發生的，原因都是軸電流反復作用擊穿油膜，導致間歇性電化學反應以及電火花燒蝕，從而對軸承造成損傷。

3 軸電流導致燒蝕的解決方案

3.1 加裝共模及差模濾波器減少尖峰電壓

雙饋式發電機組用的變流器加裝濾波器以后可以將高次諧波和尖峰電壓濾除一部分，但是不能完全濾掉，過濾后的脈沖和尖峰現象會有一定的改善。當變流器工作在開關狀態，外加濾波器的電感L 和電容C 大到一定程度時，開關晶體管的開關過渡時間會明顯變長。當完全濾掉高次諧波時，晶體管的工作狀態由開關狀態變為模擬放大狀態，此時，效率在80% 以下，有超過20% 的能量通過變流器中的開關晶體管以熱量形式發散掉，這時，變流器中的晶體管會過熱。

3.2 在變流器中采用零電流關斷技術減少軸電流

目前，雙饋式發電機組廣泛采用兩電平式開關原理，其優點是拓撲結構比較簡單，與轉子連接段既有功率輸入，也有功率輸出，是多象限工作模式，因此廣泛使用。但以前在大量生產變流器中，沒有采用零流關斷技術，所以諧波分量很大，加濾波器又會造成開關效率下降。因此，新一代開發的變流器中，在主變流開關晶體管中有電流測量電路來配合邏輯程序，在開關電流過零時切換導通或關斷。這樣即使電流變化率很大，但在變量為零或接近零時，不會激起很大的尖峰電壓。這樣既可以減小尖峰電壓，也不損失變流器的效率。零流關斷技術唯一的缺點是要改變變流器的硬件和軟件，不適合已有的風電機組改裝。

3.3 在發電機轉子引出滑環與變流器間加裝吸收電路

吸收電路可以吸收掉雷擊、浪涌等異常尖峰電壓，是常用的保護電路。但轉子變流器功率很大，有幾十至幾百千瓦，尖峰和高次諧波功率也很大，因此，采用吸收電路來吸收變流器工作產生的尖峰電壓，但是該過程是連續產生，功率很大，會導致吸收體發熱量很高，而且開關速度很快。這樣的吸收體很難選擇，而且有些吸收體是有擊穿次數限制的，也不適用于該場合，不過，不排除以后生產出功率很大、壽命很長的器件可以運用于此處。

3.4 采用多電平式變流器減少軸電流

在變流器品種中，兩電平式是最簡單的，售價也最低，但在大于5MW 的機組中還有一種選擇，即多電平式變流器，其結構復雜且售價高，但高次諧波和尖峰脈沖問題得到了較徹底的解決。這種方法原則上對小型變流器也是適用的，在以后新建的風電機組中會得到廣泛使用。

3.5 采用絕緣軸承阻隔軸電流

采用絕緣軸承的原理是軸承座與地絕緣，不形成軸電流回路，從原理上杜絕了軸電流。但實際上也存在著工程技術上的問題，首先，絕緣體的強度不如鋼材；其次，絕緣體在長期使用中會產生塑性形變，綜合起來其壽命較短。這樣變相地使得即使沒有軸電流問題，軸承座仍比鋼或鑄鐵的軸承座壽命短，維護費用高，所以應用的不廣泛。

3.6 軸采用接地滑環旁路軸電流

接地滑環的原理是在軸上安裝接地滑環來對地旁路軸電流。從理論上看，采用旁路方法可以使軸電流通過滑環接地，不通過軸承，但事實上為了實現依阻抗的旁通回路，還是需要進行合理設計才行。因為此方法比較適用于新、老機組采用，成本也不太高，所以在這里詳細討論此方法：

接地滑環的方法是在發電機軸上安裝除了饋電用的滑環之外的單獨的接地滑環和電刷，滑環與軸相連接，電刷與軸承座、地相連接。從理論上來看，如果跨接阻抗足夠，軸電流就會從滑環通過電刷與軸承座、地相連接。

目前電力和國際均對滑動連接和搭接沒有規范的標準，但此類問題有軍用標準可以參照：中華人民共和國國家軍用標準（GJB/Z 25-91）《電子設備和設施的接地、搭接和屏蔽設計指南》。這文中明確規定：搭接和連接阻抗不超過1mΩ；接地要遵守嚴格的接地規定以免引起阻抗耦合；搭接導線截面積和螺栓要符合規定。

首先雙饋式發電機組的軸有1.5m 左右長，軸承安裝在兩個端點上。當安裝一個接地滑環時，另一個軸承處于遠端，而發生分布電容感應軸電流是分布在整個轉子繞組上，繞組長度占了整個轉子軸承間距的70%～75%左右，有大約0.5～2mH 的電感。

在100kHz，0.1mH 電感阻抗，轉子軸電阻設為0Ω（實際大于0Ω）

所以實際阻抗z>>1mΩ。正因為此原因，軸本身電感量及阻抗是不可忽略的。

正確做法是在兩端軸承附近設置兩組滑環，以盡量短且粗的導線與軸承座做連接，保持阻抗。若按照（GJB/Z 25-91）的1mΩ 標準，要付很大代價才能達到目的。

另外，滑環碳刷的電阻也應考慮在內。如上海摩騰碳刷制品有限公司2.0MV/3.0MW 的主軸碳刷，出廠平均阻值為4mΩ。

對于旁路軸電流來說，碳刷電阻不算太小，另外，如果在使用中外部連接導線過長，都會使旁路作用減弱。正因為此原因，最佳方法是接地電刷采用含銅量較高的石墨做電刷，安裝位置靠近兩端軸承，連接到軸承座的導線越短越好。

如果安裝單個滑環，在遠端的軸承仍然容易損壞，所以應該在發電機的軸承附近安裝接地滑環，接地滑環就近與軸承座連接。軸承座與滑環的連搭線緊固螺釘要符合（GJB/Z 25-91）的規定，不僅要電阻率低，而且不能與基材發生電化學腐蝕。

3.7 接地

接地對整個發電機組的正常運行有著重要作用，也關系著整個發電機組的電磁兼容性是否良好。如果設計的不好，各部分接地點會發生電位不等現象，對變流器及軸承的安全運行產生影響。如果軸承未連接接地滑環，那么，當地線連接不正確時，也會發生各地點的電位不等現象。如果正好發生在發電機的兩端軸承之間，則會因為電位差的作用，在某點由內阻耦合產生較大的感應電流。若該作用發生在軸承上，則會加劇軸電流的作用。

4 結語

雙饋式風力發電機是風力發電的主流機型之一，被廣泛應用于風力發電系統中，但其特殊的轉子變頻供電方式引起的軸電流問題為其安全運行帶來了隱患。本文針對采用滾動式軸承的雙饋式風力發電機組的軸承早期損壞問題，提出了切實可行的預防和抑制軸電流的工程解決方案。

針對新設計的機組來說，總結起來有以下幾點：（1）首先，對于新設計的機組來說，盡量采用多電平式變流器；其次，采用零流關斷式的雙電平變流器。（2）采用帶雙接地滑環式的發電機組，引出線與軸承座之間的連接線要盡量短，截面積要足夠。（3）轉子饋出線上要設計合理的濾波器和吸收電路。（4）要專門對機組的地線進行合理的設計，盡量減少各接地點電位差。

針對已有舊機組進行改裝時，有以下幾點需要注意：（1）盡量依據現有條件，加裝合理的濾波器和吸收電路。（2）盡量在發電機軸承處加裝雙接地滑環，并在滑環引出線和軸承座之間盡量短跨接足夠截面積的連接線。（3）對已有地線進行了解，在發現不合理處予以采用補救措施。