直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機試驗對變頻測試的要求

　　本文簡要闡述了直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機試驗系統(tǒng)的構(gòu)成原理，對決定試驗系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進行了分析，旨在對電機試驗站建設(shè)起到幫助作用。本文中數(shù)據(jù)來源均取自湘潭電機股份有限公司的《TFY2000-3NT低速永磁風(fēng)力發(fā)電機型式試驗報告》。該電機的主要技術(shù)參數(shù)如下：

　　額定功率：2180kW；額定電壓：690V；額定電流：1833.4A；額定頻率：8.5Hz；相數(shù)：2×3相。其試驗系統(tǒng)的變頻器的載波頻率為2kHz。

　　按照《風(fēng)力發(fā)電機組 低速永磁同步發(fā)電機第2部分 試驗方法》要求，主要有以下試驗項目：冷熱態(tài)絕緣電阻測定、繞組冷態(tài)直流電阻測定、振動測量、噪聲測量、匝間沖擊耐電壓、工頻耐電壓、啟動阻力矩的測定、空載特性試驗、穩(wěn)態(tài)短路試驗、突然短路試驗、過載試驗、超速試驗、熱試驗、效率的測定、發(fā)電機額定電壓調(diào)整率的測定、發(fā)電機功率特性試驗、波形畸變率測定。

　　冷熱態(tài)絕緣電阻測定、繞組冷態(tài)直流電阻測定、振動測量、噪聲測量、匝間沖擊耐電壓、工頻耐電壓、啟動阻力矩的測定等項目按照標(biāo)準(zhǔn)進行，本文不再重復(fù)。

　　直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機試驗系統(tǒng)包括拖動系統(tǒng)、被試電機、并網(wǎng)變頻器、測試設(shè)備等。拖動系統(tǒng)包括拖動變頻器、拖動電機。電網(wǎng)經(jīng)變壓器BY1變?yōu)?90V電壓給拖動變頻器BP1供電，拖動電機MG1在拖動變頻器BP1的控制下作電動機運行，拖動被試電機MG2旋轉(zhuǎn)發(fā)電。MG2發(fā)出的電能經(jīng)4象限變頻器整流逆變?yōu)?0Hz/690V的交流電，回饋交流母線。即發(fā)電機發(fā)出的電能提供給電動機使用，固變壓器BY1只需補充兩臺電機的損耗即可，其從電網(wǎng)吸收的有功功率為兩臺電機及變頻器的總損耗。

　　空載試驗和超速試驗均包含電動機法和發(fā)電機法兩種方法，若采用發(fā)電機法，采用上述原理圖線路連接。若采用電動機法，脫開聯(lián)軸器，變頻器BY2為被試電機MG2供電，MG2作電動機單機運行。其它試驗均工作在發(fā)電機狀態(tài)，采用上述原理圖接線試驗。

　　直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速低，拖動機可選低速電機或普通電機增加齒輪箱降速。增加齒輪箱后，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，齒輪箱的損耗給系統(tǒng)損耗分析增大了難度。而低速大功率電機通常不易采購。為簡化系統(tǒng)，可采用同型號電機作為拖動機。兩臺變頻器均采用ABB公司的4象限變頻器。圖中“U、I、P測量”為變頻功率測試系統(tǒng)。

　　a、試驗中使用的測量儀器、儀表、傳感器均應(yīng)經(jīng)計量部門檢定合格并在有效期內(nèi)；

　　b、試驗時采用的電氣測量儀表的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.5 級（兆歐表除外），電量傳感器的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.2 級，電量變送器的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于 0.5 級，轉(zhuǎn)速表 的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于 1.0 級，測力計的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于1.0級（懸掛式彈簧秤除外），溫度計的誤差應(yīng)為±1℃，其它測量儀器、儀表應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；

　　c、用變流器做試驗電源時，變流器輸入端、輸出端應(yīng)采用寬頻數(shù)字式測量儀，且在被測頻率范圍內(nèi)滿足精度要求。

　　《風(fēng)力發(fā)電機組 低速永磁同步發(fā)電機第2部分 試驗方法》指出，“電參數(shù)測量應(yīng)采用寬頻數(shù)字式測量儀，電壓測定量為基波有效值，電流測定量為全有效值電流，功率測定量為全有效值功率”。由于校準(zhǔn)平均值（MEAN）在理論上等于正弦波的真有效值，且等于正弦調(diào)制PWM波形的基波有效值，且實現(xiàn)簡單；因此MEAN在許多儀器儀表中用于替代正諧波的真有效值（RMS）或PWM的基波有效值（H01）的測量。

　　但是，近年來，變頻調(diào)速技術(shù)日新月異，非正弦調(diào)制PWM的應(yīng)用越來越多，而且，變頻器用戶通常并不了解自己的變頻器采用何種調(diào)制模式，MEAN值在PWM測量中局限性越來越大。

　　《GB755-2003 旋轉(zhuǎn)電機確定損耗和效率的方法》指出，“對于PWM變頻器，必須使用寬頻段的設(shè)備，優(yōu)先使用帶AD變換器和數(shù)字式數(shù)字處理機的電子式儀表”，同時，指出其頻率范圍應(yīng)大于最大開關(guān)頻率的10倍。本試驗系統(tǒng)采用的變頻器開關(guān)頻率為2kHz，固測試設(shè)備及傳感器的帶寬應(yīng)該大于20kHz。

　　《變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動機試驗方法》指出：對常用的指示儀表，其準(zhǔn)確度是對標(biāo)稱頻率規(guī)定的（如對 50 Hz～60 Hz），而在其規(guī)定的上限頻率，其準(zhǔn)確度等級容許有附加誤差（如在1000Hz時為0.4%）。電子式測量儀表通常均給出頻率范圍，指規(guī)定的上限頻率，所規(guī)定的準(zhǔn)確度既適用于50Hz或60Hz，也適用于規(guī)定的上限頻率。

　　《GB1032-2012 三相異步電動機試驗方法》中指出，“因為大多數(shù)儀器的準(zhǔn)確度等級通常以滿量程的百分?jǐn)?shù)表示，因此，應(yīng)盡量按實際讀數(shù)的需要，選擇低量程儀表”。為實現(xiàn)信號在寬范圍內(nèi)的高精度測試，實際試驗中，一般根據(jù)信號的動態(tài)范圍采用多個不同量程的傳感器，通過開關(guān)換擋實現(xiàn)信號的寬范圍高精度測試。這種方式的缺點是轉(zhuǎn)換開關(guān)體積龐大，價格昂貴。在工頻測試領(lǐng)域，目前部分互感器廠家生產(chǎn)的副邊換擋電流互感 器能較好的解決該問題。這種互感器根據(jù)原邊信號將副 邊分為 2~4 檔，從最大量程開始，以 40%~50%的比例 依次減小量程。如 2000A/1000A/500A/200A。可在5%~100%的范圍內(nèi)保證測量精度。 互感器除外，其它的諸如霍爾傳感器、羅氏線圈等，目前尚無多量程傳感器。需要開關(guān)對傳感器的原邊進行換擋，且變頻信號對換擋開關(guān)的要求遠比工頻開關(guān)高。

　　相位是影響功率測量的重要指標(biāo)，同樣的相位誤差，功率因數(shù)越低，功率測量誤差越大。相位誤差主要包括：儀器儀表相位誤差、電壓傳感器相位誤差、電流傳感器相位誤差。儀器儀表的相位誤差因不同廠家不同設(shè)計而異，目前數(shù)字式高精度功率計可以做到較高的精度。電壓、電流傳感器造成的相位誤差與傳感器類型及原理有關(guān)。對于互感器而言，通常用于50Hz測量，《測量用互感器檢 定規(guī)程》對相位指標(biāo)（角差）作了明確規(guī)定，如，0.2 級互感器的角差不大于10′，準(zhǔn)確度等級越高的互感 器，其比差和角差越小。目前，除互感器外，霍爾傳感器等一般的電壓、電流傳感器不將相位列入考核指標(biāo)。 也就是說，采用這些傳感器的測試系統(tǒng)，相位誤差為未知。這種情況下，建議用戶將傳感器和儀器連接在一起作為系統(tǒng)，送法定計量單位進行計量溯源。

　　本電機的額定頻率為8.5Hz，《標(biāo)準(zhǔn)》5.1.3 指出， 型式試驗時，應(yīng)在額定頻率 40%～110%范圍內(nèi)做空載曲線，即空載特性試驗的最低基波頻率為3.4Hz。目前，許多諧波分析設(shè)備標(biāo)稱的基波頻率范圍較寬，最低頻率亦可滿足上述要求。但實際應(yīng)用中，尚存在一些具體問題。以日本YOKOWAGA公司生產(chǎn)的WT3000為例。一般用戶會認為其最低基波頻率可低至0.1Hz。事實上，對于基波測試，WT3000有三種模式。其測試范圍分別如下：

a、寬帶寬諧波測量模式

　　該模式下，若 PLL 源不采用外部采樣時鐘時，基波 頻率范圍為 10Hz~2600Hz。當(dāng)PLL源采用3000倍基波頻率的外部采樣時鐘時，基波頻率范圍為0.1Hz~66Hz。

b、IEC 諧波分析模式

　　該模式下，基波頻率范圍為 45Hz~66Hz。

c、常規(guī)模式時的諧波分析該模式下，基波頻率范圍為10Hz~2600Hz。

　　可見，只有寬帶寬諧波測量模式下，且當(dāng)PLL源采用3000倍基波頻率的外部采樣時鐘時，基波頻率范圍滿足測試要求。實際上，以3.4Hz為例，此時，采樣頻率為10.2ksps。由于被測信號含有高次諧波，根據(jù)采樣定理，必須開啟 5.1kHz 以下的 500Hz（該儀器5.5kHz以下的濾波器只有500Hz可選）反混淆濾波器。此時，電壓的測試精度為讀數(shù)的0.7%+量程的0.3%，已不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，對于變流器產(chǎn)生的PWM波形，500Hz的低通濾波器將導(dǎo)致被測信號將嚴(yán)重偏離實際信號，而低通濾波器對相位造成的影響對低功率因素下功率測試精度的影響將越大于對電壓或電流測試精度的影響。

　　該電機的額定電流為1833.4A。 從試驗報告看，空載特性試驗時，最小電流為10.50A左右。過電流試驗時，電流為額定電流的1.5倍，即2750.1A。

　　最大電流約為最小電流的262倍。試驗對測試系統(tǒng)的動態(tài)范圍要求非常寬。以常規(guī)的換擋方式，從3000A至10A，需分為7檔以上，如3000A/1000A/500A/200A/100A/50A/20A。 有人提出采用更高精度和線性度的傳感器避免換擋。如采用精度很高的 Denfysik電流傳感器。該傳感器的變比誤差小于50ppm，線性度小于5ppm，副邊輸出10V。若選用3000A傳感器，10A時，副邊輸出僅3.333mV，在強干擾環(huán)境下，很難發(fā)揮其高精度特性。