雙饋異步風(fēng)電機組諧波產(chǎn)生原因分析

　　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(yán)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……。
　　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：

（１）

　　其中：λ0 為平均氣隙磁導(dǎo)，為各次齒磁導(dǎo)諧波。
　　設(shè)氣隙中有一轉(zhuǎn)速為n1 的ｖ次諧波磁勢，其表達(dá)式為：

（2）

　　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：

（３）

　　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；
　　（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?jǐn)?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