MW級雙饋風力發電機電磁場分析

常德寶，李瑞東

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

?

MW級雙饋風力發電機電磁場分析

常德寶，李瑞東

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

基于有限元法對一臺1.5MW雙饋風力發電機進行了建模，基于電磁場相關理論，對風力發電機正常工作時電機的磁場進行了計算和分析，得到了發電機運行時不同時刻電機內磁場的分布，通過分析與研究，確定并分析了發電機定、轉子磁密最大值出現的位置和原因，并對諧波磁場進行了定量表征，為MW級風力發電機的開發提供了理論參考。

有限元；雙饋風力發電機；電磁場

0　引言

近年來由于風力發電技術的迅猛發展，我國的風電產業得到了長足的發展目前，不僅裝機容量在整個電網中所占的比例得到了明顯提升，而且風力發電機的單機容量也越來越大，這就使得風機運行過程中出現故障的概率比之前更大，當風電機組出現故障時，不但會對風電場的正常運行產生影響，還可能會對地區電網系統運行穩定性產生一定影響。大型風力發電機正常運行發電的過程實際上是電機將大自然的風所攜帶的機械能轉化為電能的過程，其內部運行過程是相當復雜的物理現象，所以對雙饋電機正常工作時電機內電磁場分布狀況的研究就很有必要。

目前，風電場運行的和市場上的MW級風電機組機型主要有永磁直驅風力發電機和雙饋風力發電機兩種機型[1]，[2]。由于變頻技術的快速發展和在風力發電機中的應用，以及雙饋風機供電可靠性高的優點，使得我國大型風力發電機的主要機型為雙饋風力發電機。由于風電機組大部分安裝在戈壁灘涂、郊外、海邊或山地等環境較為惡劣的地區，使得風電機組運行過程中發生故障的概率增大。

文獻[3]利用建立的風力發電機內部數學模型，通過解析法和圖解法對發電機在正常運行和故障時的電磁場合溫度場進行了計算。由于這些計算依賴傳統的經驗公式，其精度和準確度不高，計算結果與實際的偏差可能較大。傳統的基于場路法、等效網絡法等的分析方法，由于需要假定發電機的電磁參數，進而建立相應的數學模型，從而得到發電機仿真后的各種信息，這樣的結果與實際情況同樣會存在偏差，不能準確反應發電機的運行工況。本文基于此情況，對MW級雙饋風力發電機電磁場進行分析。

1　雙饋風力發電機的有限元模型

1.1雙饋風力發電機物理模型

目前應用于電磁場仿真和分析的軟件主要算法有：有限元法差分有限元和邊界元法。由于有限元法的剖分精度高和適應性強等特點，使其成為科研和市場中的主流算法軟件。分析的具體流程如圖1所示。

本文所研究的1.5MW雙饋風力發電機定、轉子結構如圖2所示，發電機定子槽為72槽，轉子槽為48槽。定子繞組為雙層疊繞，轉子繞組為雙層波繞。該風力發電機的具體參數數值及型式要求如表1所示。

1.2雙饋風力發電機電磁場數學模型的建立

電機運行時，由于電機繞組中有電流流過，電機內存在著較為復雜的磁場分布，電機相當于一個電感元件。磁場作為一種媒介使得電機實現了機電能量的轉換，在麥克斯韋創造性的給出了電磁場基本方程以后，為電機內的電磁場研究與分析提供了新的理論基礎。

本文基于ANSYS Maxwell軟件對1.5MW雙饋風力發電機模型中各種材料的導磁性能和材料屬性進行設置，并對其施加載荷和邊界條件，然后對電機模型進行求解利用有限元軟件的自動網格劃分功能對電機模型進行網格剖分，剖分結果如圖3所示。

利用有限元軟件對電機電磁場進行計算時，由電磁場理論可知，對電磁場進行分析和研究其實就是對麥克斯韋方程組進行求解。麥克斯韋方程組的微分形式為

(1)

式中，B—磁感應強度，T；H—磁場強，A/m；J—電流密度，A/m；E—電場強度，V/m；D—電通密度，C/m；ρ—電荷體密度，V/m。

為了使問題得到簡化，有利于數值求解，需定義2個量來把電場和磁場變量分開，分別形成獨立的電場和磁場方程。這2個量分別是矢量磁位A和標量電位φ，由亥姆霍茲定理可知，A和φ可由下列方程表示

(2)

A和φ自動滿足麥克斯韋方程組中的電磁感應定律和磁通連續性定律，然后根據全電流定律和高斯定律，可分別得到下列磁場和電場方程[15]

(3)

式中，μ和ε—介質的磁導率和介電常數；D=εE；B=μH。

根據建立的模型，本文進行了雙饋風力發電機二維磁場的仿真計算。模型以1.5MW雙饋感應發電機為對象，對雙饋發電機處于亞同步狀態時的磁場進行分析。雙饋發電機采用交流勵磁，通過調節勵磁電流幅值、頻率和相位，在風力機速度變化時可保證發出恒定頻率和電壓的電能。在額定負荷情況下，通過調節發電機轉子勵磁電流使定子導體流過額定電流，額定負載下磁力線分布如圖4所示。

圖5給出了不同時刻該MW級風力發電機內磁場分布，可以看出，由于電機穩定運行，0.008s和0.01s電機的磁密大小基本一致，最大值為1.97T。發電機定子磁密的最大值出現在定子齒頂位置，而發電機轉子磁密最大值出現在轉子齒的齒根處，這是由于轉子齒根較狹窄，磁阻較大導致的。

發電機模型中定義氣隙磁密分析路徑，對氣隙磁密進行分析。轉子、定子形成的合成氣隙磁密分布如圖6所示。可以看出發電機氣隙磁密波形正弦度較差，含有較高的諧波分析，諧波磁動勢將在電機繞組中感生諧波電動勢，產生諧波電流，引起一定的機械振動和噪聲。

3　結語

本文基于電磁場理論，結合有限元數值分析，建立了一臺1.5MW雙饋風力發電機的二維物理模型，基于時步有限元法對其額定運行時的電磁場進行了研究并論證。

(1)正常運行狀態時，發電機的磁力線分布、氣隙磁通密度分析結果與電機學理論一致。

(2)發電機額定運行時，發電機定子磁密的最大值出現在定子齒頂位置，而發電機轉子磁密最大值出現在轉子齒的齒根處。

(3)發電機氣隙磁密中的諧波含量很高，諧波磁動勢將會在電機繞組中感生諧波電動勢，產生諧波電流，引起一定的機械振動和噪聲。

[1]王承煦，張源．風力發電[M]．北京：

中國電力出版社，2003：1-15．

[2]都志杰，馬麗娜. 風力發電[M] 北京：化學工業出版社，2009:3856.

[3]孫宇光，王祥衍. 場路耦合計算同步發電機定子繞組內部故障暫態過程[J].中國電機工程學報，2004, 24(1)：136-141.

[4]張超，夏立．交流無刷發電機故障診斷研究綜述[J]．湖南工業大學學報，2007，21(5)：103-106．

[5]張亮，閆紅.防爆高壓電機接線盒的設計.防爆電機，2015.4.

[6]Thomson W T．On-line MCSA to diagnose shorted turns in lowvoltage stator windings of 3-phase induction motors prior to failure[C]//IEEE International Electric Machines and Drives. Conference．Cambridge，MA，USA：IEEE，2001：891-898．

[7]孫國安. 電磁場與電磁波理論基礎[M].南京：東南大學出版社，2001：91-104.

[8]楊玉波，王秀和，張鑫.磁極偏移削弱齒槽轉矩方法[J].電工技術學報，2006，21(10)：22-25.

[9]段曉田. 雙饋風電機組發電機磁場與溫度場分析[D].新疆：新疆大學，2011.

[10]段曉田，張新燕. 基于有限元法的雙饋風力發電機電磁場計算與分析[J].電網技術，2012，32(2)：232-236.

Analysis on Electromagnetic Field of Megawatt Grade Doubly-fed Wind Power Generator

Chang Debao and Li Ruidong

(JiamusiElectricMachineCo.,Ltd.,Jiamusi154002,China)

A 1.5 MW doubly-fed wind power generator is modeled based on finite element method. The magnetic field of the motor during normal working is calculated and analyzed based on relative theory. The distributions of the magnetic field of the generator at different time are obtained. According to analysis and research, location and cause of appearing the maximum stator and rotor magnetic flux densities are determined and analyzed, then the harmonic magnetic field is quantitatively represented. It has provided theory reference for development of MW grade wind power generator.

Finite element；doubly-fed wind power generator；electromagnetic field

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.07

TM301.4+4

A

1008-7281(2016)04-0021-004

常德寶男1982年生；畢業于黑龍江大學，現從事電機技術管理工作.

2016-03-27