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针对风力永磁发电系统共模电流带来的负面问题，本文给出了一种永磁同步电机系统共模回路建模及参数提取方法，为了验证模型的准确性，搭建了永磁同步电机共模电流测试平台，测试结果与仿真结果的对比证明了仿真模型及参数提取的准确性性。在此基础上，进一步开展了共模电流的谐波分布以及幅值的影响因素研究。
研究背景
由于风力发电机和齿轮箱机械强耦合、功率密度大、变流器开关频率高等特点，中速风力永磁发电机相对于传统异步电机，轴承更易遭受电蚀问题。同时由于电机体积大、结构复杂，给参数的提取和系统准确建模带来困难。针对上述问题，北京交通大学轴电流课题组依托金风科技轴电压项目，对轴电压展开了建模、仿真和测试研究，进一步探讨了共模电流的影响因素，为抑制风电轴承电蚀提供工程指导建议。
论文所解决的问题及意义
本文针对兆瓦级风力发电永磁同步发电机及电缆系统建立了共模模型并给出各参数提取方法，并揭示了共模电流的关键影响因素。以上研究对风力发电机系统共模电流及电机轴电压的准确分析和有效抑制有重要的指导意义。
论文方法及创新点
1）永磁风力发电机轴电压测试方案
图1 实验测试示意图
以一台5.5MW风力永磁同步电机为研究对象，在地面上搭建测试平台，测试共模电压、轴电压和共模电流。测量电机绕组中性点对机壳电压，即共模电压Vcom；罗氏线圈套在三相电缆，采用高频电流探头测量共模电流Icom。在转轴上安装毛刷，引出测量点，采用差分电压探头测量毛刷与机壳之间的电压，作为轴电压Vb。
图2 测试波形
以上仅介绍基本的测试原理及方法，在实际测试时需要根据电机的结构进行合理的改造和选择测点。
2）系统建模
永磁发电机内部存在三种杂散电容，定子绕组与定子铁心之间的电容Cwf，定子绕组与转子铁心及磁极盒整体之间的电容Cwr，定子铁心与转子及磁极盒整体之间的电容Crf，电机杂散电容分布如图3，共模等效模型如图4所示。
图3 表贴式永磁同步电机内部杂散电容示意图
图4 永磁同步电机共模模型
3）系统共模回路参数提取
为了提取发电机共模电感Lcm和涡流损耗电阻Re，采用阻抗分析仪进行共模阻抗测试和差模阻抗测试。在电机静止时，将电机底部用绝缘隔离，测试定子绕组三相短接点与机壳之间的阻抗，即为共模阻抗。
图5 发电机阻抗特性测试接线示意图
采用绝缘端盖将转子与机壳分离，采用LCR表测量三相绕组短接点“W”、转子“R”和机壳“F”两两之间的端口电容Cwrp、Crfp和Cwfp。利用图6电路，根据端口电容提取电机内三个杂散电容。
图6 端口电容等效电路
4）模型验证
将提取的参数带入共模模型，进行仿真。从结果来看，仿真波形与测试波形能够较好的吻合，共模电压、共模电流、轴电压在IGBT器件开关动作处的波形振荡幅度基本一致，各量仿真与测试结果频谱分布一致，从而验证了模型的准确性。
图7 仿真和实测波形对比
5）谐振对共模电流的谐波分布影响研究
系统的共模回路谐振频率f0为。
式（1）
从共模等效电路的阻抗特性曲线中，可知电路端口的谐振频率为80.28kHz，以此为参考，根据上述公式计算的谐振频率的相对误差为2.90%。因此，系统的谐振频率决定了高频共模电流的谐波分布。
图8 电缆-电机共模端口阻抗特性曲线
论文进一步研究了各个参数电缆电感、电机共模电感和绕组与机壳端口电容对谐振频率的影响。
6）开关管上升时间对共模电流的谐波分布影响研究
开关管不同上升时间对应的共模电流峰峰值与反比例函数高度拟合，因此可以说明共模电流峰值与开关管上升时间呈反比例变化。随着开关管上升时间的减小，对于共模电流高频谐波分量的幅值上升，对整个系统有着很大的负面影响。
图9 共模电流峰峰值随上升时间的变化曲线
结论
本文针对风电轴电压展开了实验测试、模型分析、参数提取等工作，证明了所提的风电轴电压研究体系是完备且可行的。在此基础上，进一步开展共模电流影响因素研究，得到以下结论：
1）确定了共模电流的主要谐波频率的计算方法，该频率由由电机及电缆系统的共模阻抗谐振点决定。
2）共模电流低频分量与开关管上升时间无关，其高频率分量幅值与开关上升时间呈反比。
3）由于共模电流以高频谐波为主，当忽略低频谐波时，共模电流的峰峰值近似与开关上升时间呈反比。
团队介绍
由北京交通大学刘瑞芳教授牵头的轴电流课题组长期围绕变频供电交流电机轴电流的产生机理、预测模型、抑制方法和测试技术进行研究。主持/参与国家/省部级项目 18 项，发表高水平论文 80 余篇，授权国家发明专利 7 项。研究成果应用于解决风力发电、轨道交通和新能源汽车领域的电机轴承电蚀问题。
本工作成果发表在2023年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“永磁同步风力发电机高频共模电流谐波分布及幅值影响因素研究”。本课题得到中央高校基本科研业务费专项资金和北京市自然科学基金的支持。
引用本文
贾磊, 刘瑞芳, 李知浩, 李术林, 黄鑫, 彭亮. 永磁同步风力发电机高频共模电流谐波分布及幅值影响因素研究[J]. 电工技术学报, 2023, 38(zk1): 101-113. Jia Lei, Liu Ruifang, Li Zhihao, Li Shulin, Huang Xin, Peng Liang. Study on the Influence Factors of Harmonic Distribution and Amplitude of Common-Mode Current of Permanent Magnet Synchronous Wind Turbines. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(zk1): 101-113.
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