双馈异步风电机组谐波产生原因分析

2013-04-26段志强黄国杰何庆峰钟绍辉

风能 2013年4期

段志强，黄国杰，何庆峰，钟绍辉

（永济新时速电机电器有限责任公司，山西 044502）

0 引言

风力发电以其清洁、无污染、建设周期短、运营成本低等优点，成为发展新能源和可再生能源的重点领域。近年来，风力发电在全球得到了迅速发展，无论在规模上还是在水平上都有了很大提高。发电机的类型也从定桨距失速型发展到了变桨距变速恒频运行的双馈感应发电机和直驱型永磁同步风电机组。DFIG凭借其可以方便地实现变速恒频，灵活地进行有功和无功的独立调节，较小的转子励磁容量等优点得到广泛应用。在目前新安装的风电机组中占到了很大的比重。DFIG实际上是一种交流励磁发电机，它的励磁电流是由背靠背的变流器供给的。因此，DFIG和变流器形成了一个发电系统，系统在运行过程中，由于励磁磁势产生于气隙圆周的磁势波不是单纯的基波磁势，从而导致在定子侧产生谐波，谐波对发电机的输出电能质量有着直接的影响，从而影响到整个电网的质量。如果不对谐波加以抑制或限制，很难提升风电在整个电力系统的占有比率。

1 DFIG运行过程中的内在谐波分析

1.1 绕组中输入正弦交流电时DFIG的空间谐波

电机学中讨论的绕组电势是在气隙磁场为正弦分布的情况下进行分析的，此时的绕组电势的波形是严格的正弦波[1]。然而,实际的电机中，即使绕组中的电流随时间按正弦规律变化，由于定、转子开槽和绕组非集中布置，使得气隙磁势含有不同程度的谐波，气隙磁场由磁势建立，这样就使得气隙磁场并非完全按照正弦规律分布。因此，绕组内的感应电势也不完全是正弦波，即除了正弦波形的基波外还包含着一系列谐波。如果磁极制造没有特殊缺陷，N极和S极下的磁密分布波是对称的。同时，每极下磁密波对磁极中心线也是对称的。在此条件下，磁密的空间谐波中就只有奇次谐波，即v＝1，3，5，7，9……。

摄影：小曲

下面就对气隙中任一旋转磁势波产生的磁场进行分析。为了简化分析，假定气隙均匀，并且只有定子开槽，转子是光滑的。此时的气隙磁导可以表示为：

其中：λ0为平均气隙磁导，

设气隙中有一转速为n1的v次谐波磁势，其表达式为：

其中：Fv为谐波幅值；

vp为谐波极对数；

vω为谐波角速度。

该谐波在气隙中产生的磁场为：

将（3）式进行展开

其中：

从上式可以看出，任意一个v次谐波磁势都在气隙中产生三种谐波磁场：（1）基本谐波磁场，是一个极对数和转速与产生它的谐波磁势一样的磁场；（2）极对数为kzZ+vp的齿磁导谐波磁场；（3）极对数为kzZ-vp的齿磁导谐波磁场。通过分析可知，这三种谐波磁场在定子绕组中感应出相同频率vf1的电势。由此可见，v次谐波磁势产生的所有磁场，尽管极对数和转速各不相同，但都在定子绕组中感应出相同频率的电势。这说明电势中谐波和磁势中的谐波是一一对应的，v次谐波磁势产生v次谐波电势。磁势中存在什么谐波，电势中就会存在同样次数的谐波，磁势中没有的谐波在电势中是不会出现的。这就为我们削弱或消除电势谐波提供了理论基础。

1.2 气隙磁场非正弦分布产生谐波电势的危害和削弱方法

DFIG电势中如果存在高次谐波，会产生许多如下不良影响：

（1）发电机本身的附加损耗增加，效率下降，温升增高；

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（2）可能引起输电线路的电感和电容发生谐振，产生过电压[2]；

（3）对邻近的通讯线路产生干扰；

（4）使DFIG产生有害的附加转矩，造成电机性能变坏。

在设计电机时，应尽可能削弱电势中的高次谐波。数学分析和实践表明，谐波次数愈高，它的幅值愈小，对电势波形的影响也愈小[3]。所以，影响电势波形的主要是3、5、7、9等次谐波。所以在设计绕组时，主要考虑削弱或者消除3、5、7、9等次谐波电势。对于双馈感应发电机来说，主要有以下几种常用的方法：

（1）对称三相绕组的连接消除了线电势中的3次及其倍数奇次谐波。

三相绕组可以连接成星接或角接，由于三相电势中的3次谐波在相位上彼此相差360°，即它们是同相位、同大小的。当三相绕组采用星接时，线电势中的3次谐波电势互相抵消，所以发电机输出的线电势中不存在3次谐波。而当绕组采用角接时，在闭合的三角形回路内产生环流，3次谐波电势正好等于3次谐波环流所引起的阻抗压降，所以在线电压中不会出现3次谐波。同理，也不会出现3的倍数次谐波。无论三相绕组采用星接或角接，线电压中不存在3及3的倍数次谐波，这是三相绕组在电势方面的优点。但当采用角接时，由于闭合回路中的3次谐波环流引起附加损耗，使电机效率降低，温升增加，所以现代同步发电机一般采用星接。

（2）用短距绕组削弱谐波电势，一般选用5/6倍的极距，这样可以同时削弱5、7次谐波电势。

（3）采用分布绕组削弱高次谐波电势，尽可能选择较大的每极每相槽数。

（4）采用磁性槽楔或半闭口槽，以减小由于槽开口而引起的气隙磁导变化。

（5）采用斜槽削弱齿谐波电势。

（6）采用分数槽绕组。

2 变频器供电后DFIG的谐波分析

2.1 绕组由变频器励磁后的时间谐波

变频电源输出的波形称为PWM波，线电压和线电流波形见图1。它可以分解出一系列的谐波，在典型的三相对称系统中，一般只存在除了3及其倍数次之外的奇次谐波，即谐波次数为k＝6n±1。对其进行傅立叶分解，可以得到以下的电源电压表达式：

式中：Uk为k次谐波电压的有效值；

θk为k次谐波电压的初相位；

ω1为基波角频率。

当k=6n+1时，所得的电压为各次正序谐波分量；当k=6n－1时，所得的电压为各次负序谐波分量，其中，n=1,2,3…。

由此可知，当DFIG的转子采用电压型PWM变频器励磁后，变频器输出的电流不是标准的正弦波，该电流将通过电机气隙磁场的作用在定子侧产生有害的谐波电压和电流。定子侧和转子侧对电网产生的谐波是实际应用中非常受关注的一个问题。随着双馈感应发电机系统容量的不断扩大，谐波对于双馈感应发电机的运行会带来较大的影响。在并网前，定子空载电压波中含有大量的谐波，严重时会造成无法并网。并网后在强电网中电压畸变率不大，谐波主要表现为定子电流中的谐波分量。但在弱电网或独立电网中，定子电压和电流都会变现出明显的畸变。谐波问题在定子侧和转子侧都存在，但由于双馈感应发电机定转子功率分配的特点，定子侧谐波对电网的影响大于转子侧。

2.2 减小变频器励磁转子谐波电流的方法

为了减小电压型PWM变频器励磁的转子谐波电流，从而削弱时间谐波对定子侧的谐波电压和电流的影响，可以从以下两方面着手考虑：

图1 变流器输出线电压和线电流波形

（1）变流器本身加装谐波抑制装置[4]。

（2）适当增大转子的电阻和漏抗、定子的电阻和漏抗以及定转子互感参数。

3 DFIG的谐波检测结果

以上从电机本体和电压型PWM变频器励磁两方面对双馈感应发电机谐波进行了分析，并且给出了减小谐波电压和电流的方法。同时，我们在进行双馈感应发电机的设计时，就着重从减小电机谐波电压和电流的角度对电机的绕组设计和参数设计进行了优化。图2是一双馈感应发电机的谐波检测结果，该结果是在专用的兆瓦级双馈感应发电机试验台进行测量的，检测方法按照IEC 标准规定执行。从试验结果可以看出电机的谐波电流总畸变率为1.49%，远远低于双馈异步发电机标准规定的谐波电流总畸变率小于5%的要求。