雙定子直驅無刷雙饋風力發電機設計原則與反電勢分析

鞠孝偉，張鳳閣，劉 豪

?

雙定子直驅無刷雙饋風力發電機設計原則與反電勢分析

鞠孝偉，張鳳閣，劉 豪

(沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽110870)

無刷雙饋電機具有固有極數高、無刷可靠、變流器功率小的優點，而且可實現變速恒頻發電，特別適合大型直驅風力發電系統。針對直驅風力發電機的大徑長比，轉子內腔空間不能被充分利用，導致電機功率密度低的問題，本文提出了一種具有雙定子結構的無刷雙饋風力發電機。首先設計了一臺3 MW，25 r/min的單定子無刷雙饋發電機，并在此電機的轉子內腔中增加了一個定子，形成雙定子的電機結構。通過改變槽數、繞組匝數、槽寬等進行了多方案對比，最終確定電機的相關參數，并利用有限元法，分析了電機的空載反電勢波形。結果表明，所設計的雙定子直驅無刷雙饋風力發電機具有良好的空載特性。

風力發電；直驅；雙定子無刷雙饋發電機；電磁設計；有限元法

0 前言

風能作為一種可持續清潔能源，越來越受到人們的關注。各國科研技術人員也在不斷地尋求更好的利用風能資源的方法。近海風場可開發的風能資源是陸地的3倍，儲量十分豐富。而且海上風能具有穩定性好，風速高、容易預測等突出優勢。所以全球風力發電正向著大型化和具有高可靠性的海上風電方向發展，利用海上風能發電已成為風力發電的熱點[1]。

目前可應用于MW級風力發電系統的發電機主要有兩種類型，分別為永磁同步發電機（PMSG）和有刷雙饋感應發電機（DFIG）[2-5]。但是稀土永磁材料價格波動較大，加之長期處于海上鹽霧環境，永磁材料的腐蝕嚴重，存在不可逆退磁的風險。而且永磁直驅風力發電系統需要全功率變流器，變流成本過高，使得永磁同步發電機并不適合海上風力發電系統。有刷雙饋感應發電機由于結構上的缺陷，可靠性較差，加之系統需要變速裝置，不但降低了可靠性，而且增加了制造成本，這將嚴重影響海上風力發電系統的安全穩定運行。因此，迫切需要一種性能優良、運行可靠、免維護、成本低廉、運輸安裝方便、體積小、重量輕、易于實現直驅的新型風力發電機，以滿足大容量海上風電機組的客觀需求。

無刷雙饋發電機（BDFG）是近些年發展起來的一種新型電機，由于具有固有極數高、無刷可靠、變頻器容量低、可實現變速恒頻恒壓發電等優點，十分適合用于直驅風力發電系統，尤其是海上風力發電系統[6-9]。但是由于直驅風力發電機的徑長比較大，使得BDFG的轉子內腔空間不能被充分利用，導致該種電機的功率密度較低。基于BDFG應用于風電機組的固有優勢和目前所存在的問題，本文提出采用雙邊勵磁結構增加電機的功率密度的方法，即在轉子內腔中增加一個定子，形成內外雙定子結構。結果表明，所設計的雙定子直驅無刷雙饋風力發電機（DSBDFG）具有良好的空載特性。

1 電機的結構及原理

1.1 電機結構

DSBDFG內外共兩個定子，中間采用模塊化磁障轉子，通過隔磁環上的燕尾槽固定。隔磁環既可以起到支撐轉子模塊的作用，也可以起到隔磁的作用。磁障中嵌入銅質短路環，形成混合轉子結構，其磁場調制能力較好。電機的主要結構如圖1所示。為增強電機運行時機械穩定性，定轉子采用雙端固定的方式[10]。

圖1 電機結構示意圖

1.2 電機原理

DSBDFG內外定子中各有兩套不同極數的繞組，分別為功率繞組和控制繞組，如圖2所示。功率繞組直接與電網相連，而控制繞組通過雙向變流器與電網相連，通過調節控制繞組中加入勵磁電流的大小，在發電狀態時，功率繞組可以輸出恒定幅值和頻率的三相交流電，實現變速恒頻發電。

圖2 控制系統示意圖

2 電磁設計

2.1 電磁方案

電機額定參數見表1。

表1 基本參數

建立電機的仿真模型，在內外側設置狄里克萊邊界條件，矢量磁位為0。由于電機模型較大，將其對稱分割為1/8模型，進行模塊化仿真分析，并在分割處設置主從邊界條件。

無刷雙饋電機在直角坐標系中的二維磁場方程：

其中JZ為Z軸電流密度分量，AZ為Z軸矢量磁位分量，Ω為求解域，1是求解域的邊界。

2.2 定子槽數選擇

由于直驅無刷雙饋風力發電機的功率繞組直接與電網相連，電機的轉速可由公式2表示為：

式中：r為轉速；p和c分別為功率繞組和控制繞組頻率；p和c分別為功率繞組和控制繞組極對數。

功率繞組直接與電網相連，p固定為50Hz。所以，無刷雙饋風力發電機要實現直驅，就必須采用多極結構。表2所示為電機采用不同槽數時的方案。槽數選擇較大時，齒距很小，鐵心容易發生局部飽和。從圖3可以發現，當槽數選擇不合理時，空載反電勢的波形畸變率會發生很大變化。當采用每極每相槽數為0.8時，繞組畸變率較低，空載反電勢波形正弦度良好，所以選擇方案3。

表2 不同槽數方案比較

2.3 繞組匝數選擇

電機功率繞組反電勢p與繞組匝數直接相關。調節控制繞組匝數c，可以調節電機的勵磁磁場大小。通過轉子的磁場調制作用，在功率繞組側感應出反電勢，從而向電網側發電。如圖3所示，固定功率繞組匝數p，改變控制繞組匝數c，得到功率繞組反電勢p變化情況。當c大于9以后，可以發現功率繞組反電勢p變化趨穩，說明此時電機鐵心接近飽和。考慮電機槽滿率，選擇控制繞組匝數為7匝。

圖3 功率繞組反電勢和控制繞組匝數的關系

2.4 槽寬

槽寬不僅影響電機齒部的機械強度，而且對電機的電磁性能影響較大。槽寬太小，要下入相同匝數的導體，必須增加槽深，從而會增大槽漏抗。槽寬太大，齒部寬度減小，相同勵磁情況下，齒部易發生局部飽和。通過改變槽寬，對模型進行參數化仿真，得到功率繞組反電勢p的變化情況。可以發現，隨著槽寬的減小，即齒寬增大，p隨之增大，如圖4所示。這是因為在磁路接近飽和的情況下，增大，會使得磁路磁導變大，所以每極磁通變大，故而導致p增大。考慮槽滿率及槽漏抗的合理性，當p達到額定值時，選擇槽寬為10mm。

圖4 功率繞組反電勢和槽寬的關系

最終得到電機的主要尺寸如表3所示。

表3 DSBDFG主要尺寸參數

注：c_out——外定子控制繞組匝數；p_out——外定子功率繞組匝數；c_in——內定子控制繞組匝數；p_in——內定子功率繞組匝數。

3 反電勢分析

3.1 氣隙徑向磁密

無刷雙饋電機定子槽中有兩套不同極數的繞組，通過轉子的磁場調制作用實現間接耦合。氣隙磁場分布十分復雜，圖5所示為電機的空載氣隙磁密波形及其傅里葉分解諧波含量圖。

從傅里葉分解的諧波次數可以看出，較高的兩次諧波分別為64和80，該值恰好等于兩套繞組極對數值。可見在超同步運行狀態時電機轉子具有較好的耦合能力。控制繞組勵磁磁場可通過轉子將能量傳遞至功率繞組，并在功率繞組上感應反電勢，供給電網側。

圖5 氣隙磁密頻譜圖

3.2 空載反電勢

電機為內外雙定子結構。內外定子中各有兩套不同極數的繞組，分別為功率繞組（A,B,C,D,E,F）和控制繞組（a,b,c,d,e,f），如圖6所示。所以內外繞組有兩種不同形式的連接方式，即串聯與并聯。

圖6 電機繞組結構示意

繞組（A,B,C,E,F,G）與繞組(a,b,c,d,e,f)串聯時，功率繞組空載反電勢波形如圖7所示，反電勢波形正弦度良好。DSBDFG內外定子兩套繞組反電勢幅值相位相同，所以內外反電勢之和即為電機空載端電壓。其中內側功率繞組A相反電勢有效值約為430V，外側功率繞組D相反電勢有效值約為430V，兩者之和約為860V。

繞組（A,B,C,E,F,G）與繞組(a,b,c,d,e,f)并聯時，功率繞組空載反電勢波形如圖8所示，反電勢波形正弦度良好。DSBDFG內外定子兩套繞組反電勢幅值相位相同，其中內側功率繞組（A,B,C）相反電勢有效值約為430V，外側功率繞組(D,E,F)相反電勢有效值約為430V。

圖7 內外繞組串聯空載反電勢波形

圖8 內外繞組并聯空載反電勢波形

可以發現不論電機采用串聯還是并聯情況，內外繞組的空載反電勢波形相位一致性很好。繞組選擇串聯模式時，電網側端電壓為高壓。采用并聯時，電網側端電壓為低壓。這不僅增加了電機繞組連接多樣性，也增加了發電系統可靠性。

4 結論

本文設計了一臺雙定子直驅無刷雙饋風力發電機，初步確定了電機的結構尺寸，介紹了電機主要參數的設計原則，通過分析得到以下結論：

（1）對于MW級直驅式無刷雙饋風力發電機，確定極槽配合方案時，選擇合理的分數槽繞組結構，可以更好地保證發電機空載反電勢的正弦度。

（2）所設計雙定子直驅無刷雙饋風力發電機內外功率繞組的空載反電勢相位和幅值一致性良好，可實現串聯和并聯連接，具有良好的發電機空載特性。

本文所研究的內容對大型雙定子直驅無刷雙饋風力發電機的研究具有指導意義，電機的設計思路和研究方法，有益于課題的進一步開展和研究。

[1] Karvonen M, Lehtovaara M, Kapoor R, et al. Analyzing the emerging offshore wind power market technologies[C]// Technology Management for Emerging Technologies. 2012:2864 - 2870.

[2] Betz R E, Jovanovic M G. The brushless doubly fed reluctance machine and the synchronous reluctance machine-a comparison[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2000, 36(4):1103-1110.

[3] 秦祖和．3MW直驅永磁風力發電機電磁設計與理論規律研究[D]．哈爾濱理工大學：2014．

[4] Polinder H, Van d P F F A, De Vilder G J, et al. Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, 21(3):725-733.

[5] 朱德明，邱鑫，張卓然，等．直驅式電勵磁雙凸極風力發電機的極數研究[J]．中國電機工程學報, 2009，29(18)：65-70．

[6] XU Longya, Guan Bo, Liu Huijuan, et al. Design and control of a high-efficiency doubly-fed brushless machine for wind power generator application[C]// 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2010: 2409-2416.

[7] 張鳳閣，賈廣隆，鄭陽，等．無刷電勵磁同步電機不同轉子結構的對比分析[J]．電工技術學報，2016，31(7)：40-49．

[8] 張岳，王鳳翔．磁障轉子無刷雙饋電機運行特性及實驗研究[J]．電機與控制學報，2014(2)：69-74．

[9] 龔晟，楊向宇，紀梁洲．凸極轉子無刷雙饋電機的電感參數計算及轉子設計[J]．電機與控制學報，2013，17(2)：78-83．

[10] 張鳳閣，王秀平，賈廣隆，等．無刷雙饋電機復合轉子結構參數的優化設計[J]．電工技術學報．2014，29(1)：77-84．

Design Principle and Back EMF Anslysis of Direct-drive Dual-stator Brushless Doubly-fed Generator

JU Xiaowei, ZHANG Fengge, LIU Hao

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Brushless doubly fed generator (BDFG) is suitable for large variable speed constant frequency (VSCF) wind power generation system which has the advantages such as the more natural poles, brushless, and smaller power of the converter. But the power density of the generator is not high because of the large ratio of diameter to length, which hinders its application in the field of wind power generation. Aiming at the inherent advantages of the brushless doubly fed machine and the existing problems, a double stator brushless doubly-fed generator (DSBDFG) is put forward to make full use of the cavity of the inner rotor. Firstly, a 3MW, 25r/min single stator BDFG (SSBDFG) has been designed using fractional slot winding structure. Secondly, a DSBDFG has been ensured to add a stator in the inner cavity of the rotor based on the SSBDFG through comparison of different slot number, winding turn number and slot width. Finally, the parameters of DSBDFG are determined, and the no-load characteristics are simulated and analyzed by finite element method. The results show that the designed DSBDFG has good no-load characteristics.

wind power;direct-drive; dual stator brushless doubly-fed generator; electromagnetic design; finite element method

TM315

A

1000-3983(2017)07-0018-04

國家自然科學基金重點項目（51537007）；國家自然科學基金（51277124）

2017-02-10

鞠孝偉 (1991-)，沈陽工業大學電氣工程學院在讀碩士研究生，研究方向為電機與電器。