直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的瞬態(tài)電磁場計算

王 振，楊國偉，郭燈塔，王步瑤，雷向福，李素平

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直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的瞬態(tài)電磁場計算

王 振，楊國偉，郭燈塔，王步瑤，雷向福，李素平

（海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室（湘潭電機股份有限公司），湖南湘潭 411101）

在進行直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計時，磁路計算無法得到電機的準確運行參數(shù)和運行特性。為了求解電磁參數(shù)和性能曲線，本文在闡述了瞬態(tài)場計算原理的基礎(chǔ)上，對兆瓦級直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機進行了不同工作狀態(tài)的場路結(jié)合計算，得到了電機在空載、獨立負載和直接并網(wǎng)狀態(tài)下的電磁場分布情況。計算結(jié)果表明電機電磁性能滿足額定要求，不同負載下端電壓可調(diào)節(jié)，可在一定范圍內(nèi)過載運行。本文論述的計算方法和計算流程對于研究永磁風(fēng)力發(fā)電機具有較高的工程應(yīng)用價值。

永磁風(fēng)力發(fā)電機；電磁場；場路結(jié)合

0 前言

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展已經(jīng)成為各國政府應(yīng)對能源危機和發(fā)展可再生能源的重要手段。我國已成為世界最大的風(fēng)電市場，風(fēng)電并網(wǎng)裝機量位居世界前列，目前，國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機組主要采用異步風(fēng)力發(fā)電機、雙饋風(fēng)力發(fā)電機、直驅(qū)永磁發(fā)電機三種機型。由于直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機不需要齒輪箱，噪聲小，系統(tǒng)效率高等特點，近年得到了較快發(fā)展。

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計采用磁路計算與場計算相結(jié)合的方法進行。通過求解電磁場來分析磁場分布和電機性能，以修正磁路法計算精度不高的問題。永磁電機的電磁場計算可分為靜態(tài)場計算和瞬態(tài)場計算兩部分，靜態(tài)場計算的是在一定激勵條件下的某時刻的磁場分布，無法計算出電機的實際運行參數(shù)；瞬態(tài)場計算可把外電路方程和有限元方程聯(lián)立，直接求解矢量磁位和繞組電流。文獻[1]計算了空載和不同阻性負載時永磁風(fēng)力發(fā)電機的性能，文獻[2]只計算了永磁風(fēng)力發(fā)電機的空載電磁場。本文采用場路結(jié)合法對湘電集團已批量化生產(chǎn)的2MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機進行了空載、獨立負載和直接并網(wǎng)工況下的瞬態(tài)電磁場計算，文中給出了具體的計算方法，同時對計算結(jié)果進行了分析。這為直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)，具有較好的借鑒意義。

1 瞬態(tài)電磁場計算原理

為了簡化計算，永磁電機的瞬態(tài)電磁場計算將電磁場當做似穩(wěn)場處理，忽略磁滯效應(yīng)和電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的溫度效應(yīng)，并將永磁材料用等效面電流模擬；電樞繞組端部效應(yīng)由電路方程中的漏電感值計入[3]。

用磁矢位描述場，瞬態(tài)電磁場的定解問題可以用下列方程表示[4]：

為了考慮外電路和電機端部效應(yīng)，可用場路耦合的方法計算電磁瞬態(tài)過程，通過電樞繞組的電動勢將上述電磁場有限元方程與繞組電路方程聯(lián)立，求解磁矢位和電流。感應(yīng)電勢和外電路方程如下：

2 電機計算模型

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機采用表面式多極結(jié)構(gòu)，為削弱感應(yīng)電動勢諧波和齒槽轉(zhuǎn)矩采用分數(shù)槽繞組。利用磁場的周期性條件縮小求解區(qū)域，由于分數(shù)槽電機的每極每相槽數(shù)不同，有限元計算需取單元電機來進行分析。本文計算的電機額定功率2180kW，額定電流2040A，功率因數(shù)0.93，采用三相雙Y繞組。為了保證計算精度，并適當減少計算量，在永磁體、氣隙和定轉(zhuǎn)子沖片等磁場較強和磁場變化較大的區(qū)域，三角形剖分網(wǎng)格取得小一些，其他區(qū)域取得大一些。為了保證在初始時刻感應(yīng)電動勢過零點，計算模型應(yīng)使得A相繞組軸線和d軸重合。

3 空載計算

圖1 空載感應(yīng)電動勢波形

對氣隙磁密進行傅里葉分解，基波分量有效值為0.6415T。從空載電磁場分布圖3可以看出，磁力線從磁極出發(fā)經(jīng)過氣隙、定子齒和定子軛到另一相鄰磁極對應(yīng)的定子齒、氣隙、轉(zhuǎn)子軛和磁極形成閉合回路。磁力線分布合理，由于永磁體兩端開有限制漏磁用的空氣槽，該電機漏磁較小。

圖2 空載氣隙磁密波形

圖3 空載磁力線分布

4 獨立負載計算

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，永磁風(fēng)力發(fā)電機輸出的電功率經(jīng)過交直交等變流變壓環(huán)節(jié)輸送到電網(wǎng)。但為了研究電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響和分析永磁電機帶不同功率因數(shù)負載時的運行特性，需計算永磁發(fā)電機帶獨立負載時的電磁場和性能參數(shù)。電機帶阻性、感性和容性負載時，外電路方程分別為：

表1 電機帶不同負載時負載功率值

圖4 不同負載時電機計算電壓

圖5 不同負載時電機計算輸出功率

從計算結(jié)果可看出，電機帶容性負載時的端電壓高于阻性和感性負載。這是由于感性負載使得電樞電流滯后于空載感應(yīng)電勢，直軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場起去磁作用；而容性負載使得電勢電流超前于空載感應(yīng)電勢，直軸電樞反應(yīng)起增磁作用。外電路阻抗達到0.45W以上時，端電壓增加較小，電機磁路趨向飽和狀態(tài)。當電機帶0.12W的阻性負載時，電機可達到額定輸出功率。由于電樞反應(yīng)和外接負載的影響，電機的輸出功率隨負載大小呈非線性變化。由于永磁風(fēng)力發(fā)電機的功率因數(shù)大于0.9，在設(shè)計階段可用阻性負載來計算電機的輸出功率性能。

5 直接并網(wǎng)計算

永磁風(fēng)力發(fā)電機并聯(lián)到電網(wǎng)時，電機的頻率、電壓幅值、相序和相位需與電網(wǎng)頻率和電網(wǎng)電壓一致。為了模擬直接并網(wǎng)工況，可將電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型等效為三相對稱電壓源，將永磁發(fā)電機的繞組輸出端連接此對稱電壓源，電壓源用下列方程表示：

將功率角設(shè)為變量，利用瞬態(tài)場計算原理，分別計算不同功率角時的電機電磁場，可得到永磁發(fā)電機的功角特性曲線。當功率角為40°時，電磁轉(zhuǎn)矩為1243.2kN·m，輸出功率為2131.8kW，此為額定運行點。從功角曲線可計算出電機的過載倍數(shù)為2.04，最大輸出功率為4446.9kW。從永磁發(fā)電機額定運行時的磁力線分布圖可以看出，漏磁比空載時大，由于定子交直軸電流對氣隙磁密的影響，磁力線發(fā)生了較大變形。

圖6 功角特性曲線

圖7 并網(wǎng)額定運行時磁力線分布

6 結(jié)論

本文在論述了基于場路結(jié)合法的電磁場計算方法的基礎(chǔ)上，對直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機進行了空載、獨立負載和直接并網(wǎng)的計算，得到了電機的空載感應(yīng)電勢、氣隙磁密、額定負載、額定功率角和最大輸出功率等參數(shù)，以及外特性曲線和功角特性曲線。通過研究計算結(jié)果，表明該電機電磁設(shè)計合理，具有一定的過載能力，電磁性能滿足設(shè)計要求。

在進行直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計時，采用上述方法可準確計算電機的性能參數(shù)，以修正磁路法計算無法考慮內(nèi)部磁場飽和程度，采用的經(jīng)驗參數(shù)不準確等問題。永磁風(fēng)力發(fā)電機在設(shè)計時采用本文論述的瞬態(tài)場計算方法，可縮短設(shè)計周期，為判定電機性能提供理論依據(jù)。

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The Transient Electromagnetic Field Calculation of Permanent Magnet Generator Directly Driven by Wind Turbine

WANG Zhen, YANG Guowei, GUO Dengta, WANG Buyao, LEI Xiangfu, LI Suping

(State Key Laboratory of Off-shore Wind-power Technology and Testing, XEMC, Xiangtan 411101, China)

In the process of designing permanent magnet generator directly driven by wind turbine, the accurate running parameters and performance can not be obtained by calculating the magnetic circuit of the generator. In order to solve electromagnetic parameters and performance curves, different running conditions of megawatt permanent magnet generator directly driven by wind turbine are analyzed and calculated by field-circuit method on the basis of demonstrating the principle of transient electromagnetic calculation in this paper. The electromagnetic distributions under no-load, independent load and direct gird-connected are obtained. The calculation results show that the electromagnetic performance of the generator meets the rated requirement, the terminal voltage can be regulated under different loads and the generator may run in the certain overload range. The presented calculation method and procedure in the paper have a great engineering application value for researching permanent magnet generator by wind turbine.

permanent magnet generator; electromagnetic field; field-circuit method

TM315

A

1000-3983(2014)05-0005-04

2013-10-15

海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)研究(2010CB736201)

王振(1986-)，2011年畢業(yè)于南昌大學(xué)電機與電器專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事永磁風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計與研究工作，工程師。

審稿人：許善椿