永磁同步风力发电机轴电流与共模电流的分析与抑制

摘要

永磁同步发电机是目前风力发电系统中广泛采用的形式之一。变流器产生的共模电压会通过电机内部杂散电容形成的耦合通路，在电机转轴上产生轴电压和轴电流，继而引起轴承早期失效，造成风电机组停机、烧毁，带来巨大损失。同时高频共模电压产生的共模电流经过定子机壳流入大地，也将带来谐波干扰。因此对永磁同步风力发电机轴电流问题进行分析并开展共模电流抑制方法的研究具有重要意义。
　　本文首先计算了永磁同步发电机内部的杂散电容参数。分别给出了表贴式和内置式两种永磁同步发电机杂散电容的解析计算公式，并根据多导体系统部分电容理论采用有限元法对杂散电容进行了求解。基于上述两种方法，本文对2.1MW表贴式和内置式永磁同步发电机进行了计算，结果表明内置式电机杂散电容的解析和有限元计算结果相近，而表贴式电机差别较大，同时分析了误差产生的原因。
　　其次建立了永磁同步发电机轴电流等效电路并进行了仿真分析。分别给出了表贴式和内置式发电机轴承分压比的计算公式，算例表明，相同容量时两种电机的轴承分压比相同，且介于变频电动机和双馈异步风力发电机之间。随后本文提出了表贴式永磁同步发电机的简化轴电流模型并验证了其有效性。为了解电机中各电容参数对轴电压的影响，文章还对永磁同步发电机的轴承分压比进行了灵敏度分析。在MATLAB中建立变流器-永磁同步发电机系统的仿真模型，预测了共模电压、共模电流、轴电压和轴电流，同时分析了两种轴电流抑制措施对共模电流的影响，结果表明轴电流的抑制措施并不能有效地抑制共模电流。
　　然后针对共模电流抑制问题围绕共模磁环的电感参数计算、设计方案和抑制效果展开研究。综合考虑共模电压、电路参数、电缆线径、共模电流峰值范围和磁环材料特性给出了磁环设计方案，针对永磁同步风力发电机进行了磁环设计并就抑制效果展开了仿真分析，结果证明磁环能够有效地抑制共模电流。
　　最后本文对轴承等效电气参数进行了实验研究。通过设计轴承电气参数测量实验方案，分析电机轴承等效电容和击穿电阻与电机转速和轴承温度之间的关系。实验结果表明，轴承等效电容与电机转速成反比，与轴承温度成正比。轴承等效电阻与电机转速成正比，与轴承温度成反比。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究的背景和意义

1．1．1 永磁同步风力发电系统的应用与结构形式

1．1．2 风力发电系统的故障类型

1．1．3 轴电流问题产生的根源

1．2 国内外研究现状

1．2．1 轴电流产生机理研究

1．2．2 轴电流与共模电流抑制措施研究

1．2．3 轴承电气参数的测量方法研究

1．3 本文研究内容

2 永磁同步风力发电机杂散电容的计算

2．1 永磁同步发电机杂散电容分布和解析计算

2．1．1 表贴式永磁同步发电机杂散电容

2．1．2 内置式永磁同步发电机杂散电容

2．2 永磁同步发电机杂散电容的有限元计算

2．3 永磁同步发电机杂散电容的算例分析

2．3．1 表贴式永磁同步发电机算例分析

2．3．2 内置式永磁同步发电机算例分析

2．4 本章小结

3 永磁同步风力发电机轴电流和共模电流的仿真分析

3．1 永磁同步发电机轴电流分析模型的建立

3．1．1 表贴式永磁同步发电机轴电流模型

3．1．2 内置式永磁同步发电机轴电流模型

3．1．3 两种发电机轴承分压比的比较

3．1．4 表贴式永磁同步发电机的简化分析

3．2 永磁同步发电机轴承分压比的灵敏度分析

3．3 变流器-永磁同步发电机系统的共模电路仿真分析

3．3．1 变流器-永磁同步发电机系统的仿真模型

3．3．2 表贴式永磁同步发电机的仿真分析

3．3．3 内置式永磁同步发电机的仿真分析

3．3．4 两种发电机仿真结果的比较

3．4 永磁同步发电机轴电流的抑制措施

3．5 本章小结

4 共模抑制磁环的设计与抑制效果分析

4．1 磁环的共模抑制原理

4．2 磁环电感参数的计算

4．2．1 磁环电感参数的解析计算

4．2．2 磁环电感参数的有限元计算

4．3 共模抑制磁环的设计

4．3．1 系统加入磁环后共模回路系统的等效电路

4．3．2 磁环的设计方案

4．4 磁环设计的算例分析

4．5 磁环抑制效能的仿真分析

4．6 本章小结

5 轴承电气参数的测量

5．1 轴承电气特性

5．2 轴承电气参数的测量方案

5．3 轴承电气参数随电机转速的变化规律

5．3．1 轴承等效电容与电机转速的关系

5．3．2 轴承等效电阻与电机转速的关系

5．4 轴承电气参数随轴承温度的变化规律

5．4．1 轴承等效电容与轴承温度的关系

5．4．2 轴承等效电阻与轴承温度的关系

5．5 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士期间取得的研究成果

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