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可再生資源發(fā)電近年來(lái)得到我國(guó)政府部門的大力支持，光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電等清潔能源發(fā)電方式分布越來(lái)越廣泛。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋異步發(fā)電機(jī)（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）是目前主要使用的一種形式。

它通過電力電子變換器（變流器）對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)施交流勵(lì)磁，一般可在同步轉(zhuǎn)速上、下的30%范圍內(nèi)運(yùn)行，此時(shí)變流器容量?jī)H為發(fā)電機(jī)額定功率的30%左右；也可隨變流器容量的增加獲得更寬的運(yùn)行速度范圍。并且，電機(jī)可以在變化的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速情況下保持穩(wěn)定的頻率并優(yōu)化發(fā)電量，還具備對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能。

由于具有變流器容量小、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為眾多風(fēng)電設(shè)備制造商、運(yùn)營(yíng)商青睞的風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

系統(tǒng)采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，定子繞組通過變壓器直接連接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過三相交-直-交變換器實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁，電功率可以通過定子、轉(zhuǎn)子雙通道與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交換。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變換器通常采用三相兩電平電壓型脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modu- lation, PWM）變換器結(jié)構(gòu)，按其位置兩PWM變換器可分別稱為網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器。

雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中變流器開關(guān)供電會(huì)產(chǎn)生高頻共模電壓，而電機(jī)內(nèi)部存在的雜散電容為共模電壓的傳導(dǎo)提供了通路，導(dǎo)致了在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出高頻軸電壓。電機(jī)軸承內(nèi)外滾道分別與轉(zhuǎn)軸和端蓋/機(jī)殼相連。高頻軸電壓就施加在了軸承內(nèi)外滾道上，軸承的滾道和滾動(dòng)體間有潤(rùn)滑油膜，當(dāng)軸電壓超過潤(rùn)滑油膜的擊穿電壓時(shí)，會(huì)導(dǎo)致油膜擊穿產(chǎn)生放電電流。長(zhǎng)期的軸電流會(huì)導(dǎo)致軸承產(chǎn)生坑蝕，繼而帶來(lái)噪聲振動(dòng)，引起軸承早期失效。

由于軸承是電機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵零部件，其安全性能關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此軸電流問題得到廣泛關(guān)注，包括電機(jī)和變頻器生產(chǎn)廠家，如ABB、西門子；風(fēng)力發(fā)電運(yùn)營(yíng)企業(yè)、電機(jī)維修廠家；軸承生產(chǎn)廠家，如FAG等軸承制造商。

• J. Zitzelsberger等圍繞雙饋異步發(fā)電機(jī)的軸電流問題建立了相應(yīng)的電路模型，指出雙饋電機(jī)中軸電流模型與變頻電動(dòng)機(jī)軸電流模型的區(qū)別，也找到前者軸電流更加嚴(yán)重的原因。
• M. Whittle等在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)電機(jī)電容解析計(jì)算公式，進(jìn)行了軸電流的仿真計(jì)算。
• J. Adabi等也針對(duì)軸電流模型中的等效電容計(jì)算進(jìn)行了研究。
• 有學(xué)者提出改進(jìn)的PWM控制策略來(lái)抑制軸電壓的方案。
• 有學(xué)者針對(duì)大型雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)提出一種變流器LCL濾波新方法用于抑制共模電壓從而抑制軸電壓。
• Gerwin Preisinger作為軸承廠家提出了混合陶瓷深溝球軸承的軸電流抑制方案。
• 有學(xué)者對(duì)現(xiàn)有的雙饋異步發(fā)電機(jī)軸電壓抑制方案進(jìn)行了總結(jié)，并提出一個(gè)組合方案：施加共模抑制磁環(huán)，安裝接地電刷，以及絕緣端蓋和聯(lián)軸器等組合抑制方案。并給出了采取方案前后的軸電壓對(duì)比結(jié)果。

在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商為抑制軸電壓、軸電流采取的方案主要是轉(zhuǎn)軸經(jīng)電刷接地并配合軸承部位絕緣。電機(jī)轉(zhuǎn)軸接地，可以將軸上感應(yīng)的電荷經(jīng)接地線引入到地，從而消除軸承內(nèi)外圈的電壓差，從理論上它可以完全解決軸電流問題。

但電刷使用時(shí)存在磨損，需要定期更換，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在很高的地方，電刷維修更換費(fèi)用非常高。當(dāng)電刷接觸不良但沒有及時(shí)更換時(shí)，軸承電腐蝕引起的軸承損壞會(huì)頻繁出現(xiàn)。這也間接說(shuō)明單獨(dú)采用軸承絕緣對(duì)軸電流的抑制效果不好。

軸承部件的絕緣可以采取多種方案，如絕緣端蓋、絕緣軸承座、軸承內(nèi)圈及外圈加涂層，或者混合陶瓷深溝球軸承。軸承絕緣對(duì)軸電流的抑制機(jī)理并不明了，各種方案的效果還有待比較。

北京交通大學(xué)的研究人員針對(duì)絕緣軸承方案對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)高頻軸電流抑制效果進(jìn)行了研究。建立了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電流分析模型，導(dǎo)出軸承分壓比公式，把各類軸承部位絕緣用電容參數(shù)加入到軸電流等效模型中；以軸承分壓比的變化來(lái)對(duì)比各類絕緣方案軸電流抑制效果；并探討軸承絕緣位置、厚度以及材料對(duì)抑制效果的影響。

圖2 陶瓷噴涂球軸承

圖3 混合式深溝球軸承

對(duì)于絕緣軸承座、絕緣端蓋以及噴涂絕緣軸承，這三種方案的原理是一樣的，依靠絕緣層阻抗的分壓作用來(lái)減小軸承電壓。絕緣層所在的位置、絕緣層厚度等參數(shù)會(huì)影響絕緣層電容數(shù)值。絕緣層電容越小，效果越好。

由于陶瓷噴涂軸承方案中絕緣層的厚度很小，因此不能有效解決由變頻器共模電壓引起的高頻軸電壓和軸電流問題。而絕緣端蓋或絕緣軸承座方案當(dāng)絕緣層較厚時(shí)，會(huì)對(duì)軸電壓有較為明顯的抑制效果，但由于絕緣層厚度在工藝上的限制，不可能消除軸電壓，仍然需要電刷將軸和地導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)消除軸電壓。而采用混合陶瓷軸承，可以從根本上隔開軸承內(nèi)、外滾道，不會(huì)產(chǎn)生軸承電腐蝕。

討論絕緣方法抑制高頻軸電流問題時(shí)，不能僅考慮絕緣電阻對(duì)低頻電流的阻斷效果，更要考慮絕緣層電容帶來(lái)的影響。

以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“軸承絕緣對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)高頻軸電壓和軸電流抑制效果研究”，作者為劉瑞芳、陳嘉垚、朱健、任雪嬌。