双馈风力发电机绝缘系统性能评估.pdf
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1、技术|Technology78 风能 Wind Energy 随着电力电子技术的不断发展,可实现变速恒频发电的大容量双馈风力发电机1逐渐成为风力发电的关键器件。双馈风力发电机定子侧一般连接至交流电网,转子侧则由基于脉宽调制技术的交流-直流-交流变流器驱动2,从而实现定子与转子对电网的功率交换。一般而言,为获取较为充足的风力以驱动电机转动,会将双馈风力发电机置于较高的塔架上。然而,若将变流器及其他电力电子设备同时放置在塔架上,一方面会增加风电机组塔架的重量和设计成本,另一方面会为检修人员对电机检修和维护带来不便。因此,变流器及其他电力电子设备一般放置于风电机组塔底,并通过长电缆与风力发电机相连。
2、根据传输线理论,极端条件下,由于电机转子、变流器以及两者之间的长电缆阻抗不匹配,变流器输出的重复脉冲电压在电机绕组端部极易产生两倍于直流母线电压的过电压3。并且,受电机容性和感性参数分布影响,电机转子侧端部过电压分布不均造成的局部场强集中,极易在绝缘非良好浸渍处存在的气隙间引发局部放电4。当局部放电发生时,重复脉冲较短的上升/下降时间会产生较强的空间电荷效应5并进一步加剧后续放电的产生。国际标准 IEC 60034-18-41 规定,对于采用散绕式结构的电机来讲,在全生命周期内,决不允许存在局部放电现象6。目前,风力双馈风力发电机绝缘系统性能评估文|沈小虎,巩源泉1:王鹏,赵政嘉,刘雪山,等.
3、电力电子设备中的电气绝缘问题 J.高电压技术,2018,44(7):2309 2322.2:张兴,张显立,谢震,等.双馈风力发电变流器长缆驱动及其过电压抑制 J.电力系统自动化,2006(21):44 48.3:佟来生,吴广宁,温凤香.变频牵引电机端子过电压产生原理及影响因素 J.西南交通大学学报,2005,40(5):673 676.4:JOUANNE A V,ENJETI P,GRAY W.Application issues for pwm adjustable speed AC motor drivesJ.IEEE Industry Applications Magazine,1996
4、,2(5):10 18.5:Peng W,Cavallini A,Montanari G C,et al.Effect of Rise Time on PD Pulse Features under Repetitive Square Wave VoltagesJ.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2013,20(1):2452546:IEC 60034-18-41:Rotating electrical machines-Part 18-41:Partial discharge free electrical
5、 insulation Systems(Type I)used in rotating electrical machines fed from voltage converters-Qualification and quality control tests,2014S.7:胡昊明,王鹏,马世金,等.盐雾老化对重复脉冲下 NKN 绝缘纸耐电晕性能的影响 J.绝缘材料,2020,53(5):64 69.8:F.Guastavino,G.Coletti,E.Torello.Medium term aging characterization of enamelled for high freq
6、uency applicationsJ.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2005,12(3):524 529.9:张涛,李林多,钟婷婷,等.受潮程度对变压器用 NOMEX 绝缘纸频域特性的影响 J.水电能源科学,2019,37(2):169 171,130.10:李婵,黄海军,王俊,等.风力发电设备在我国不同气候条件下环境适应性分析 J.环境技术,2013,31(2):29 33.发电机仍采用有机材料间位芳纶纸作为电机绕组的主、相绝缘7。与无机绝缘材料不同的是,芳纶纸虽然具有高PDIV(Partial Dis
7、charge Inception Voltage,局部放电起始电压)的特性,但超过 PDIV 后会在较短时间内老化。因此,双馈风力发电机虽是成型绕组结构,但应当采用标准8规定的检测方法,聚焦于绝缘的 PDIV,评估绝缘结构的优劣。并且,对于位于我国沿海地区的风电机组,空气含盐量较高,高浓度氯化钠覆盖在绝缘系统表面会降低其电气强度,导致绝缘耐电晕寿命进一步降低9,10。目前,电机绝缘测试的研究主要围绕工频正弦展开,采用高频下的重复脉冲对双馈风力发电机绝缘系统进行的评估较少7。变流器 IGBT 的开关频率可以高达 220kHz,为此产生的 du/dt 电压的上升率可达 16kV/s。为探究这种运行
8、在高频率、高尖峰电压及严酷的热和盐雾环境下电机的绝缘性能,本文首先测试了多个风电场变流器输出端和双馈风力发电机转子端部实际运行电压,结合风力发电机面临的运行环境制定了对单个线棒的测试方案。然后,搭建了模拟变流器驱动下的风力发电机绝缘系统实际应力条件的局部放电测试系统,对风力发电机中的成型绕组绝缘结构进行电应力和环境应力测试。研究有望为风力发电机绝缘系统设计改进以及实际运行环境的选择与保障条件提供实验支撑与理论依据。Technology|技术2023年第07期 79 实际运行环境测试一、测试方法双馈风力发电机实机测试在某风电场进行,风力发电机结构及检测部位如图 1 所示。需要指出的是,双馈风力发
9、电机的线、相电压分别决定电机相绝缘和主绝缘的寿命。因此,为获得双馈风力发电机较为可靠的工况运行电压并对风力发电机主、相绝缘进行裕度评估,需对双馈风力发电机转子侧和变流器侧的线电压、相电压进行检测。二、测试结果(一)相电压发电机 A、B、C 三相电压波形测试结果如图 2 所示,脉冲基频均为 50Hz。图 2(a)为发电机转子侧输出电压波形,功率为 600kW;图 2(b)为相同双馈风力发电机变流器侧输出(低通滤波器后)相电压波形,功率为540kW。由图可见,转子侧与变流器侧输出相-地电压波形基本一致:双馈风力发电机承受的电压波形为双极性重复脉冲电压,每相电压峰峰值约为 2000V,三相电压平均上
10、升/下降时间为 13s;相电压波形的抖动和畸变较为严重,波形中含有较多的谐波成份;重复脉冲电压下,受阻抗不匹配影响,电机转子处脉冲电压存在严重的过电压,并且过电压峰值约为直流母线电压(稳态电压值)的两倍 如图 2(a)所示。(二)线电压发电机线电压波形测试结果如图 3 所示,脉冲基频均为 50Hz。图 3(a)为发电机转子侧输出电压波形,功率为 1900kW;图 3(b)为变流器侧输出(低通滤波器后)电压波形,功率为 2000kW。实验发电机绝缘系统耐压设计参数标准为耐受 1.5kV/s 的电压冲击,且耐受的电压峰峰值需达到 2000V。将此发电机绝缘系统设计要求与测试结果进行对比可知,实际电
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