双馈式风力发电机的轴电流分析及防范措施研究

韩小地，徐荣鹏，李伟，王超，范明哲

（国电电力新疆新能源开发有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 前言

双馈异步风力发电机（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）是目前风力发电系统中广泛使用的机型之一。双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。它主要通过变流器对双馈发电机转子电流(频率、幅值、相位)的控制，以达到与风电机组机械部分运行特性匹配、提高风能的利用效率及改善供电质量的目的，具有变流器容量小、体积小、成本低等优点。

通过对现场故障的发电机进行分析，发现轴承失效故障在风力发电机故障中占有很大比例，随着运行时间的增加，轴承失效频次逐年提高，严重影响了机组的可靠性，产生了维修成本上升、机组可利用率降低等问题。大部分轴承失效的原因可以通过一定的机械维护手段和状态监控操作得以避免，然而，由轴电流引起的轴承损害却不能采取类似的方法来消除。当前，风电厂3～5MW 的风力发电机装机数量很大，多数机组存在轴承早期损坏的问题，尤其是发电机组部分，由于轴电流对其的影响，更容易产生早期损坏。

针对此类问题，文献[2]中提出应用频域寄生电容法计算Hertz 轴承电流密度，该种轴承电流密度计算方法为定量评估轴承电损伤提供了理论依据。文献[3]中研究了载波频率和电机运行频率对PWM 驱动感应电机的共模电压、轴电压、轴承电流的影响，为研究轴承电流的抑制措施,提高PWM 驱动感应电机轴承运行寿命提供理论依据。文献[4]提出了多电平反向变流器的脉宽调制策略，以降低或消除这些变流器的共模电压，从而达到降低或消除轴电压的目的。文献[5]提出了一种在电机试验台上在线测量轴承电压以估计轴电压和轴电流的方法，可以重现导致电烧蚀的典型轴电流。

本文通过对发电机组轴承早期损坏的原因、双馈式发电机组工作时产生轴电流的原因以及改善措施、双电平转子部分变流器产生高次谐波的原因以及改善措施进行了广泛讨论，提出了切实可行的工程实际措施，以期达到延长轴承寿命、减小轴承电流的目的。

2 轴电流引起的轴承损坏原因分析

2.1 轴电流导致的烧蚀现象

轴电流流过轴承会产生电化学腐蚀及电烧蚀作用，瞬间放电释放的热量会造成润滑脂成分变性、恶化并使轴承滚道上产生搓板纹形损伤，逐渐引起轴承失效。这也是除因机械维护不当造成轴承损坏之外的另一类主要问题，即轴电流导致的轴承损坏。大部分因机械维护不当造成的轴承失效现象都可以通过一定的维护手段和状态监控操作得以避免，而轴电流引起的轴承损害却不能采取类似的方法来消除。

2.2 轴电流产生的主要原因

轴电流产生的主要原因是变流器产生的共模及差模电压。双馈式风力发电机的变流器有两台，一台设置于发电机的定子部分，一台设置于发电机的转子部分。发电机的转子是三相绕组，通过三个滑环与变流器连接。转子本身对轴是绝缘的，但由于变流器本身工作原理是PWM 脉宽调制方式，在高压大电流晶体管开关过程中，不可避免会产生高压尖峰脉冲电压，该尖峰电压的变化率极高，达到了1000～3000V/s。尖峰电压可以轻易地通过发电机转子绕组与轴之间的分布电容，使轴与地之间产生高电位，这是轴电压通过轴承的阻抗转为轴电流的一个主要原因。

其次，由于变流器的晶体管工作电压有500～1000V,工作频率有100～500kHz，所以即使完全没有尖峰电压，也会有调制波基波分量的正弦波电压存在，因此，也会产生轴电压和轴电流，只不过，此时的轴电压和轴电流会比有尖峰脉冲电压和丰富高次谐波电压时要低一点。

以滚动轴承为例，在滚道上形成搓板纹形损伤可以充分证明有较大的电流流过，起作用的主要是两个原因：

（1）在轴承滚动体及滚道间，电流与润滑油中的残酸及水分，形成电化学腐蚀。由于滚动轴承的接触基本上是点接触，电流密度较大，这时，会产生局部较大强度的电化学腐蚀。

（2）由于油膜是不导电的，即使润滑油中混有水分及残酸，电阻率仍然是较高的。滚动轴承过渡润滑的结构导致形成的油膜不稳定，接触电阻随着轴转动忽大忽小，导致间歇放电，引起轴承滚道的电火花烧蚀。由于电火花烧蚀的原因，导致滚道逐渐产生不平滑的表面，这更进一步导致接触不良。所以一旦轴承滚道表面发生电火花烧蚀，只需要几十伏电压和一定电流（约0.1～2A），就会使滚道在几周时间内形成扩大损伤的搓板纹形损伤。在线切割机床（200V 电压，1～3A 电流）上，切割丝在几分钟内就可以把金属割出几毫米的切割口，可见电火花的烧蚀作用是不可低估的。

以上两条相近结果但不同机理的损伤是同时发生的，原因都是轴电流反复作用击穿油膜，导致间歇性电化学反应以及电火花烧蚀，从而对轴承造成损伤。

3 轴电流导致烧蚀的解决方案

3.1 加装共模及差模滤波器减少尖峰电压

双馈式发电机组用的变流器加装滤波器以后可以将高次谐波和尖峰电压滤除一部分，但是不能完全滤掉，过滤后的脉冲和尖峰现象会有一定的改善。当变流器工作在开关状态，外加滤波器的电感L 和电容C 大到一定程度时，开关晶体管的开关过渡时间会明显变长。当完全滤掉高次谐波时，晶体管的工作状态由开关状态变为模拟放大状态，此时，效率在80% 以下，有超过20% 的能量通过变流器中的开关晶体管以热量形式发散掉，这时，变流器中的晶体管会过热。

3.2 在变流器中采用零电流关断技术减少轴电流

目前，双馈式发电机组广泛采用两电平式开关原理，其优点是拓扑结构比较简单，与转子连接段既有功率输入，也有功率输出，是多象限工作模式，因此广泛使用。但以前在大量生产变流器中，没有采用零流关断技术，所以谐波分量很大，加滤波器又会造成开关效率下降。因此，新一代开发的变流器中，在主变流开关晶体管中有电流测量电路来配合逻辑程序，在开关电流过零时切换导通或关断。这样即使电流变化率很大，但在变量为零或接近零时，不会激起很大的尖峰电压。这样既可以减小尖峰电压，也不损失变流器的效率。零流关断技术唯一的缺点是要改变变流器的硬件和软件，不适合已有的风电机组改装。

3.3 在发电机转子引出滑环与变流器间加装吸收电路

吸收电路可以吸收掉雷击、浪涌等异常尖峰电压，是常用的保护电路。但转子变流器功率很大，有几十至几百千瓦，尖峰和高次谐波功率也很大，因此，采用吸收电路来吸收变流器工作产生的尖峰电压，但是该过程是连续产生，功率很大，会导致吸收体发热量很高，而且开关速度很快。这样的吸收体很难选择，而且有些吸收体是有击穿次数限制的，也不适用于该场合，不过，不排除以后生产出功率很大、寿命很长的器件可以运用于此处。

3.4 采用多电平式变流器减少轴电流

在变流器品种中，两电平式是最简单的，售价也最低，但在大于5MW 的机组中还有一种选择，即多电平式变流器，其结构复杂且售价高，但高次谐波和尖峰脉冲问题得到了较彻底的解决。这种方法原则上对小型变流器也是适用的，在以后新建的风电机组中会得到广泛使用。

3.5 采用绝缘轴承阻隔轴电流

采用绝缘轴承的原理是轴承座与地绝缘，不形成轴电流回路，从原理上杜绝了轴电流。但实际上也存在着工程技术上的问题，首先，绝缘体的强度不如钢材；其次，绝缘体在长期使用中会产生塑性形变，综合起来其寿命较短。这样变相地使得即使没有轴电流问题，轴承座仍比钢或铸铁的轴承座寿命短，维护费用高，所以应用的不广泛。

3.6 轴采用接地滑环旁路轴电流

接地滑环的原理是在轴上安装接地滑环来对地旁路轴电流。从理论上看，采用旁路方法可以使轴电流通过滑环接地，不通过轴承，但事实上为了实现依阻抗的旁通回路，还是需要进行合理设计才行。因为此方法比较适用于新、老机组采用，成本也不太高，所以在这里详细讨论此方法：

接地滑环的方法是在发电机轴上安装除了馈电用的滑环之外的单独的接地滑环和电刷，滑环与轴相连接，电刷与轴承座、地相连接。从理论上来看，如果跨接阻抗足够，轴电流就会从滑环通过电刷与轴承座、地相连接。

目前电力和国际均对滑动连接和搭接没有规范的标准，但此类问题有军用标准可以参照：中华人民共和国国家军用标准（GJB/Z 25-91）《电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南》。这文中明确规定：搭接和连接阻抗不超过1mΩ；接地要遵守严格的接地规定以免引起阻抗耦合；搭接导线截面积和螺栓要符合规定。

首先双馈式发电机组的轴有1.5m 左右长，轴承安装在两个端点上。当安装一个接地滑环时，另一个轴承处于远端，而发生分布电容感应轴电流是分布在整个转子绕组上，绕组长度占了整个转子轴承间距的70%～75%左右，有大约0.5～2mH 的电感。

在100kHz，0.1mH 电感阻抗，转子轴电阻设为0Ω（实际大于0Ω）

所以实际阻抗z>>1mΩ。正因为此原因，轴本身电感量及阻抗是不可忽略的。

正确做法是在两端轴承附近设置两组滑环，以尽量短且粗的导线与轴承座做连接，保持阻抗。若按照（GJB/Z 25-91）的1mΩ 标准，要付很大代价才能达到目的。

另外，滑环碳刷的电阻也应考虑在内。如上海摩腾碳刷制品有限公司2.0MV/3.0MW 的主轴碳刷，出厂平均阻值为4mΩ。

对于旁路轴电流来说，碳刷电阻不算太小，另外，如果在使用中外部连接导线过长，都会使旁路作用减弱。正因为此原因，最佳方法是接地电刷采用含铜量较高的石墨做电刷，安装位置靠近两端轴承，连接到轴承座的导线越短越好。

如果安装单个滑环，在远端的轴承仍然容易损坏，所以应该在发电机的轴承附近安装接地滑环，接地滑环就近与轴承座连接。轴承座与滑环的连搭线紧固螺钉要符合（GJB/Z 25-91）的规定，不仅要电阻率低，而且不能与基材发生电化学腐蚀。

3.7 接地

接地对整个发电机组的正常运行有着重要作用，也关系着整个发电机组的电磁兼容性是否良好。如果设计的不好，各部分接地点会发生电位不等现象，对变流器及轴承的安全运行产生影响。如果轴承未连接接地滑环，那么，当地线连接不正确时，也会发生各地点的电位不等现象。如果正好发生在发电机的两端轴承之间，则会因为电位差的作用，在某点由内阻耦合产生较大的感应电流。若该作用发生在轴承上，则会加剧轴电流的作用。

4 结语

双馈式风力发电机是风力发电的主流机型之一，被广泛应用于风力发电系统中，但其特殊的转子变频供电方式引起的轴电流问题为其安全运行带来了隐患。本文针对采用滚动式轴承的双馈式风力发电机组的轴承早期损坏问题，提出了切实可行的预防和抑制轴电流的工程解决方案。

针对新设计的机组来说，总结起来有以下几点：（1）首先，对于新设计的机组来说，尽量采用多电平式变流器；其次，采用零流关断式的双电平变流器。（2）采用带双接地滑环式的发电机组，引出线与轴承座之间的连接线要尽量短，截面积要足够。（3）转子馈出线上要设计合理的滤波器和吸收电路。（4）要专门对机组的地线进行合理的设计，尽量减少各接地点电位差。

针对已有旧机组进行改装时，有以下几点需要注意：（1）尽量依据现有条件，加装合理的滤波器和吸收电路。（2）尽量在发电机轴承处加装双接地滑环，并在滑环引出线和轴承座之间尽量短跨接足够截面积的连接线。（3）对已有地线进行了解，在发现不合理处予以采用补救措施。