直驱永磁同步风力发电机试验对变频测试的要求

　　本文简要阐述了直驱永磁同步风力发电机试验系统的构成原理，对决定试验系统成败的关键技术指标进行了分析，旨在对电机试验站建设起到帮助作用。本文中数据来源均取自湘潭电机股份有限公司的《TFY2000-3NT低速永磁风力发电机型式试验报告》。该电机的主要技术参数如下：

　　额定功率：2180kW；额定电压：690V；额定电流：1833.4A；额定频率：8.5Hz；相数：2×3相。其试验系统的变频器的载波频率为2kHz。

　　按照《风力发电机组 低速永磁同步发电机第2部分 试验方法》要求，主要有以下试验项目：冷热态绝缘电阻测定、绕组冷态直流电阻测定、振动测量、噪声测量、匝间冲击耐电压、工频耐电压、启动阻力矩的测定、空载特性试验、稳态短路试验、突然短路试验、过载试验、超速试验、热试验、效率的测定、发电机额定电压调整率的测定、发电机功率特性试验、波形畸变率测定。

　　冷热态绝缘电阻测定、绕组冷态直流电阻测定、振动测量、噪声测量、匝间冲击耐电压、工频耐电压、启动阻力矩的测定等项目按照标准进行，本文不再重复。

　　直驱永磁同步风力发电机试验系统包括拖动系统、被试电机、并网变频器、测试设备等。拖动系统包括拖动变频器、拖动电机。电网经变压器BY1变为690V电压给拖动变频器BP1供电，拖动电机MG1在拖动变频器BP1的控制下作电动机运行，拖动被试电机MG2旋转发电。MG2发出的电能经4象限变频器整流逆变为50Hz/690V的交流电，回馈交流母线。即发电机发出的电能提供给电动机使用，固变压器BY1只需补充两台电机的损耗即可，其从电网吸收的有功功率为两台电机及变频器的总损耗。

　　空载试验和超速试验均包含电动机法和发电机法两种方法，若采用发电机法，采用上述原理图线路连接。若采用电动机法，脱开联轴器，变频器BY2为被试电机MG2供电，MG2作电动机单机运行。其它试验均工作在发电机状态，采用上述原理图接线试验。

　　直驱永磁同步风力发电机的转速低，拖动机可选低速电机或普通电机增加齿轮箱降速。增加齿轮箱后，增加了系统复杂性，齿轮箱的损耗给系统损耗分析增大了难度。而低速大功率电机通常不易采购。为简化系统，可采用同型号电机作为拖动机。两台变频器均采用ABB公司的4象限变频器。图中“U、I、P测量”为变频功率测试系统。

　　a、试验中使用的测量仪器、仪表、传感器均应经计量部门检定合格并在有效期内；

　　b、试验时采用的电气测量仪表的准确度应不低于0.5 级（兆欧表除外），电量传感器的准确度应不低于0.2 级，电量变送器的准确度应不低于 0.5 级，转速表 的准确度应不低于 1.0 级，测力计的准确度应不低于1.0级（悬挂式弹簧秤除外），温度计的误差应为±1℃，其它测量仪器、仪表应符合相关标准的规定；

　　c、用变流器做试验电源时，变流器输入端、输出端应采用宽频数字式测量仪，且在被测频率范围内满足精度要求。

　　《风力发电机组 低速永磁同步发电机第2部分 试验方法》指出，“电参数测量应采用宽频数字式测量仪，电压测定量为基波有效值，电流测定量为全有效值电流，功率测定量为全有效值功率”。由于校准平均值（MEAN）在理论上等于正弦波的真有效值，且等于正弦调制PWM波形的基波有效值，且实现简单；因此MEAN在许多仪器仪表中用于替代正谐波的真有效值（RMS）或PWM的基波有效值（H01）的测量。

　　但是，近年来，变频调速技术日新月异，非正弦调制PWM的应用越来越多，而且，变频器用户通常并不了解自己的变频器采用何种调制模式，MEAN值在PWM测量中局限性越来越大。

　　《GB755-2003 旋转电机确定损耗和效率的方法》指出，“对于PWM变频器，必须使用宽频段的设备，优先使用带AD变换器和数字式数字处理机的电子式仪表”，同时，指出其频率范围应大于最大开关频率的10倍。本试验系统采用的变频器开关频率为2kHz，固测试设备及传感器的带宽应该大于20kHz。

　　《变频器供电三相笼型感应电动机试验方法》指出：对常用的指示仪表，其准确度是对标称频率规定的（如对 50 Hz～60 Hz），而在其规定的上限频率，其准确度等级容许有附加误差（如在1000Hz时为0.4%）。电子式测量仪表通常均给出频率范围，指规定的上限频率，所规定的准确度既适用于50Hz或60Hz，也适用于规定的上限频率。

　　《GB1032-2012 三相异步电动机试验方法》中指出，“因为大多数仪器的准确度等级通常以满量程的百分数表示，因此，应尽量按实际读数的需要，选择低量程仪表”。为实现信号在宽范围内的高精度测试，实际试验中，一般根据信号的动态范围采用多个不同量程的传感器，通过开关换挡实现信号的宽范围高精度测试。这种方式的缺点是转换开关体积庞大，价格昂贵。在工频测试领域，目前部分互感器厂家生产的副边换挡电流互感 器能较好的解决该问题。这种互感器根据原边信号将副 边分为 2~4 档，从最大量程开始，以 40%~50%的比例 依次减小量程。如 2000A/1000A/500A/200A。可在5%~100%的范围内保证测量精度。 互感器除外，其它的诸如霍尔传感器、罗氏线圈等，目前尚无多量程传感器。需要开关对传感器的原边进行换挡，且变频信号对换挡开关的要求远比工频开关高。

　　相位是影响功率测量的重要指标，同样的相位误差，功率因数越低，功率测量误差越大。相位误差主要包括：仪器仪表相位误差、电压传感器相位误差、电流传感器相位误差。仪器仪表的相位误差因不同厂家不同设计而异，目前数字式高精度功率计可以做到较高的精度。电压、电流传感器造成的相位误差与传感器类型及原理有关。对于互感器而言，通常用于50Hz测量，《测量用互感器检 定规程》对相位指标（角差）作了明确规定，如，0.2 级互感器的角差不大于10′，准确度等级越高的互感 器，其比差和角差越小。目前，除互感器外，霍尔传感器等一般的电压、电流传感器不将相位列入考核指标。 也就是说，采用这些传感器的测试系统，相位误差为未知。这种情况下，建议用户将传感器和仪器连接在一起作为系统，送法定计量单位进行计量溯源。

　　本电机的额定频率为8.5Hz，《标准》5.1.3 指出， 型式试验时，应在额定频率 40%～110%范围内做空载曲线，即空载特性试验的最低基波频率为3.4Hz。目前，许多谐波分析设备标称的基波频率范围较宽，最低频率亦可满足上述要求。但实际应用中，尚存在一些具体问题。以日本YOKOWAGA公司生产的WT3000为例。一般用户会认为其最低基波频率可低至0.1Hz。事实上，对于基波测试，WT3000有三种模式。其测试范围分别如下：

a、宽带宽谐波测量模式

　　该模式下，若 PLL 源不采用外部采样时钟时，基波 频率范围为 10Hz~2600Hz。当PLL源采用3000倍基波频率的外部采样时钟时，基波频率范围为0.1Hz~66Hz。

b、IEC 谐波分析模式

　　该模式下，基波频率范围为 45Hz~66Hz。

c、常规模式时的谐波分析该模式下，基波频率范围为10Hz~2600Hz。

　　可见，只有宽带宽谐波测量模式下，且当PLL源采用3000倍基波频率的外部采样时钟时，基波频率范围满足测试要求。实际上，以3.4Hz为例，此时，采样频率为10.2ksps。由于被测信号含有高次谐波，根据采样定理，必须开启 5.1kHz 以下的 500Hz（该仪器5.5kHz以下的滤波器只有500Hz可选）反混淆滤波器。此时，电压的测试精度为读数的0.7%+量程的0.3%，已不能满足标准要求。另外，对于变流器产生的PWM波形，500Hz的低通滤波器将导致被测信号将严重偏离实际信号，而低通滤波器对相位造成的影响对低功率因素下功率测试精度的影响将越大于对电压或电流测试精度的影响。

　　该电机的额定电流为1833.4A。 从试验报告看，空载特性试验时，最小电流为10.50A左右。过电流试验时，电流为额定电流的1.5倍，即2750.1A。

　　最大电流约为最小电流的262倍。试验对测试系统的动态范围要求非常宽。以常规的换挡方式，从3000A至10A，需分为7档以上，如3000A/1000A/500A/200A/100A/50A/20A。 有人提出采用更高精度和线性度的传感器避免换挡。如采用精度很高的 Denfysik电流传感器。该传感器的变比误差小于50ppm，线性度小于5ppm，副边输出10V。若选用3000A传感器，10A时，副边输出仅3.333mV，在强干扰环境下，很难发挥其高精度特性。