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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(mén)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(guò)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(guò)變壓器直接連接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)三相交-直-交變換器實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁，電功率可以通過(guò)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(chēng)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(kāi)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(guò)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(wèn)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(mén)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(wèn)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(wèn)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(méi)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(lèi)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(lèi)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(wèn)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(kāi)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(wèn)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。