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        雙饋異步風(fēng)電機組諧波產(chǎn)生原因分析

        2013-04-26 00:00:20段志強黃國杰何慶峰鐘紹輝
        風(fēng)能 2013年4期
        關(guān)鍵詞:磁勢雙饋電勢

        段志強,黃國杰,何慶峰,鐘紹輝

        (永濟新時速電機電器有限責(zé)任公司,山西 044502)

        0 引言

        風(fēng)力發(fā)電以其清潔、無污染、建設(shè)周期短、運營成本低等優(yōu)點,成為發(fā)展新能源和可再生能源的重點領(lǐng)域。近年來,風(fēng)力發(fā)電在全球得到了迅速發(fā)展,無論在規(guī)模上還是在水平上都有了很大提高。發(fā)電機的類型也從定槳距失速型發(fā)展到了變槳距變速恒頻運行的雙饋感應(yīng)發(fā)電機和直驅(qū)型永磁同步風(fēng)電機組。DFIG憑借其可以方便地實現(xiàn)變速恒頻,靈活地進行有功和無功的獨立調(diào)節(jié),較小的轉(zhuǎn)子勵磁容量等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。在目前新安裝的風(fēng)電機組中占到了很大的比重。DFIG實際上是一種交流勵磁發(fā)電機,它的勵磁電流是由背靠背的變流器供給的。因此,DFIG和變流器形成了一個發(fā)電系統(tǒng),系統(tǒng)在運行過程中,由于勵磁磁勢產(chǎn)生于氣隙圓周的磁勢波不是單純的基波磁勢,從而導(dǎo)致在定子側(cè)產(chǎn)生諧波,諧波對發(fā)電機的輸出電能質(zhì)量有著直接的影響,從而影響到整個電網(wǎng)的質(zhì)量。如果不對諧波加以抑制或限制,很難提升風(fēng)電在整個電力系統(tǒng)的占有比率。

        1 DFIG運行過程中的內(nèi)在諧波分析

        1.1 繞組中輸入正弦交流電時DFIG的空間諧波

        電機學(xué)中討論的繞組電勢是在氣隙磁場為正弦分布的情況下進行分析的,此時的繞組電勢的波形是嚴格的正弦波[1]。然而,實際的電機中,即使繞組中的電流隨時間按正弦規(guī)律變化,由于定、轉(zhuǎn)子開槽和繞組非集中布置,使得氣隙磁勢含有不同程度的諧波,氣隙磁場由磁勢建立,這樣就使得氣隙磁場并非完全按照正弦規(guī)律分布。因此,繞組內(nèi)的感應(yīng)電勢也不完全是正弦波,即除了正弦波形的基波外還包含著一系列諧波。如果磁極制造沒有特殊缺陷,N極和S極下的磁密分布波是對稱的。同時,每極下磁密波對磁極中心線也是對稱的。在此條件下,磁密的空間諧波中就只有奇次諧波,即v=1,3,5,7,9……。

        攝影:小曲

        下面就對氣隙中任一旋轉(zhuǎn)磁勢波產(chǎn)生的磁場進行分析。為了簡化分析,假定氣隙均勻,并且只有定子開槽,轉(zhuǎn)子是光滑的。此時的氣隙磁導(dǎo)可以表示為:

        其中:λ0為平均氣隙磁導(dǎo),

        設(shè)氣隙中有一轉(zhuǎn)速為n1的v次諧波磁勢,其表達式為:

        其中:Fv為諧波幅值;

        vp為諧波極對數(shù);

        vω為諧波角速度。

        該諧波在氣隙中產(chǎn)生的磁場為:

        將(3)式進行展開

        其中:

        從上式可以看出,任意一個v次諧波磁勢都在氣隙中產(chǎn)生三種諧波磁場:(1)基本諧波磁場,是一個極對數(shù)和轉(zhuǎn)速與產(chǎn)生它的諧波磁勢一樣的磁場;(2)極對數(shù)為kzZ+vp的齒磁導(dǎo)諧波磁場;(3)極對數(shù)為kzZ-vp的齒磁導(dǎo)諧波磁場。通過分析可知,這三種諧波磁場在定子繞組中感應(yīng)出相同頻率vf1的電勢。由此可見,v次諧波磁勢產(chǎn)生的所有磁場,盡管極對數(shù)和轉(zhuǎn)速各不相同,但都在定子繞組中感應(yīng)出相同頻率的電勢。這說明電勢中諧波和磁勢中的諧波是一一對應(yīng)的,v次諧波磁勢產(chǎn)生v次諧波電勢。磁勢中存在什么諧波,電勢中就會存在同樣次數(shù)的諧波,磁勢中沒有的諧波在電勢中是不會出現(xiàn)的。這就為我們削弱或消除電勢諧波提供了理論基礎(chǔ)。

        1.2 氣隙磁場非正弦分布產(chǎn)生諧波電勢的危害和削弱方法

        DFIG電勢中如果存在高次諧波,會產(chǎn)生許多如下不良影響:

        (1)發(fā)電機本身的附加損耗增加,效率下降,溫升增高;

        要因地制宜,嫁接本地資源稟賦。廣袤農(nóng)村,自然條件、資源稟賦、經(jīng)濟基礎(chǔ)等不同,解決方案各異。學(xué)習(xí)典型,絕不能簡單復(fù)制粘貼,流于表面。如果機械照搬,會導(dǎo)致水土不服。比如財力吃緊的地區(qū)可通過多元化渠道籌措資金,投工投勞,補上資金缺口。再如人才不足的地區(qū),可主動尋求與高等院校合作,借力“外腦”發(fā)揮人才支撐作用。典型經(jīng)驗不是萬能鑰匙,應(yīng)立足實際,一把鑰匙開一把鎖。

        (2)可能引起輸電線路的電感和電容發(fā)生諧振,產(chǎn)生過電壓[2];

        (3)對鄰近的通訊線路產(chǎn)生干擾;

        (4)使DFIG產(chǎn)生有害的附加轉(zhuǎn)矩,造成電機性能變壞。

        在設(shè)計電機時,應(yīng)盡可能削弱電勢中的高次諧波。數(shù)學(xué)分析和實踐表明,諧波次數(shù)愈高,它的幅值愈小,對電勢波形的影響也愈小[3]。所以,影響電勢波形的主要是3、5、7、9等次諧波。所以在設(shè)計繞組時,主要考慮削弱或者消除3、5、7、9等次諧波電勢。對于雙饋感應(yīng)發(fā)電機來說,主要有以下幾種常用的方法:

        (1)對稱三相繞組的連接消除了線電勢中的3次及其倍數(shù)奇次諧波。

        三相繞組可以連接成星接或角接,由于三相電勢中的3次諧波在相位上彼此相差360°,即它們是同相位、同大小的。當(dāng)三相繞組采用星接時,線電勢中的3次諧波電勢互相抵消,所以發(fā)電機輸出的線電勢中不存在3次諧波。而當(dāng)繞組采用角接時,在閉合的三角形回路內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流,3次諧波電勢正好等于3次諧波環(huán)流所引起的阻抗壓降,所以在線電壓中不會出現(xiàn)3次諧波。同理,也不會出現(xiàn)3的倍數(shù)次諧波。無論三相繞組采用星接或角接,線電壓中不存在3及3的倍數(shù)次諧波,這是三相繞組在電勢方面的優(yōu)點。但當(dāng)采用角接時,由于閉合回路中的3次諧波環(huán)流引起附加損耗,使電機效率降低,溫升增加,所以現(xiàn)代同步發(fā)電機一般采用星接。

        (2)用短距繞組削弱諧波電勢,一般選用5/6倍的極距,這樣可以同時削弱5、7次諧波電勢。

        (3)采用分布繞組削弱高次諧波電勢,盡可能選擇較大的每極每相槽數(shù)。

        (4)采用磁性槽楔或半閉口槽,以減小由于槽開口而引起的氣隙磁導(dǎo)變化。

        (5)采用斜槽削弱齒諧波電勢。

        (6)采用分數(shù)槽繞組。

        2 變頻器供電后DFIG的諧波分析

        2.1 繞組由變頻器勵磁后的時間諧波

        變頻電源輸出的波形稱為PWM波,線電壓和線電流波形見圖1。它可以分解出一系列的諧波,在典型的三相對稱系統(tǒng)中,一般只存在除了3及其倍數(shù)次之外的奇次諧波,即諧波次數(shù)為k=6n±1。對其進行傅立葉分解,可以得到以下的電源電壓表達式:

        式中:Uk為k次諧波電壓的有效值;

        θk為k次諧波電壓的初相位;

        ω1為基波角頻率。

        當(dāng)k=6n+1時,所得的電壓為各次正序諧波分量;當(dāng)k=6n-1時,所得的電壓為各次負序諧波分量,其中,n=1,2,3…。

        由此可知,當(dāng)DFIG的轉(zhuǎn)子采用電壓型PWM變頻器勵磁后,變頻器輸出的電流不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,該電流將通過電機氣隙磁場的作用在定子側(cè)產(chǎn)生有害的諧波電壓和電流。定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波是實際應(yīng)用中非常受關(guān)注的一個問題。隨著雙饋感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)容量的不斷擴大,諧波對于雙饋感應(yīng)發(fā)電機的運行會帶來較大的影響。在并網(wǎng)前,定子空載電壓波中含有大量的諧波,嚴重時會造成無法并網(wǎng)。并網(wǎng)后在強電網(wǎng)中電壓畸變率不大,諧波主要表現(xiàn)為定子電流中的諧波分量。但在弱電網(wǎng)或獨立電網(wǎng)中,定子電壓和電流都會變現(xiàn)出明顯的畸變。諧波問題在定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)都存在,但由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機定轉(zhuǎn)子功率分配的特點,定子側(cè)諧波對電網(wǎng)的影響大于轉(zhuǎn)子側(cè)。

        2.2 減小變頻器勵磁轉(zhuǎn)子諧波電流的方法

        為了減小電壓型PWM變頻器勵磁的轉(zhuǎn)子諧波電流,從而削弱時間諧波對定子側(cè)的諧波電壓和電流的影響,可以從以下兩方面著手考慮:

        圖1 變流器輸出線電壓和線電流波形

        (1)變流器本身加裝諧波抑制裝置[4]。

        (2)適當(dāng)增大轉(zhuǎn)子的電阻和漏抗、定子的電阻和漏抗以及定轉(zhuǎn)子互感參數(shù)。

        3 DFIG的諧波檢測結(jié)果

        以上從電機本體和電壓型PWM變頻器勵磁兩方面對雙饋感應(yīng)發(fā)電機諧波進行了分析,并且給出了減小諧波電壓和電流的方法。同時,我們在進行雙饋感應(yīng)發(fā)電機的設(shè)計時,就著重從減小電機諧波電壓和電流的角度對電機的繞組設(shè)計和參數(shù)設(shè)計進行了優(yōu)化。圖2是一雙饋感應(yīng)發(fā)電機的諧波檢測結(jié)果,該結(jié)果是在專用的兆瓦級雙饋感應(yīng)發(fā)電機試驗臺進行測量的,檢測方法按照IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。從試驗結(jié)果可以看出電機的諧波電流總畸變率為1.49%,遠遠低于雙饋異步發(fā)電機標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波電流總畸變率小于5%的要求。

        4 結(jié)論

        雙饋異步風(fēng)電機組產(chǎn)生諧波在所難免,如何消除或抑制諧波發(fā)生或把其降低到最低限度,是問題的關(guān)鍵。通過理論研究和實踐,文中提出的各種方法不僅僅是拋磚引玉,實際上是行之有效的,具有一定的參考價值。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新能力的提高,更多新的方法將不斷出現(xiàn),風(fēng)電的質(zhì)量將會隨著科技的不斷進步得到全面提升。

        圖2 雙饋異步風(fēng)電機組額定運行狀態(tài)的諧波

        攝影:俞澤衛(wèi)

        [1] 許實章.電機學(xué) [M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

        [2]王鳳翔.交流電機的非正弦供電 [M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.

        [3](捷)B.海勒爾 V.哈馬塔.異步電機中諧波磁場的作用 [M].北京:機械工業(yè)出版社,1982.

        [4] 吳忠智.變頻器應(yīng)用手冊 [M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

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