大功率異步風力發電機散熱性能分析與優化

龍英?！∴u強龍　張冬妮　徐瑞

摘 ? 要： 風力發電機散熱性能好壞對器件壽命和設備運行可靠性具有重大影響。以某4 MW～5 MW功率等級的大功率異步風力發電機為研究對象，建立全過程運行周期模型，通過數值方法獲得穩態溫度場。仿真結果表明：發電機溫度在周向上存在差異，線圈下部溫度顯著高于上部。對仿真結果進行分析，表明原始定子外側框架、發電機系統結構使得下部冷卻風流動阻力比上部大，冷卻風量相對較少。據此，提出增加冷卻通道數、優化通風道寬度、調整通風溝角度的改進方案。優化后，定子線圈最高溫升降低10 K，體積平均溫度溫升降低3 K。

關鍵詞： 風力發電機;散熱性能;溫度場;全過程運行周期模型;定子

中圖分類號：TM315 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：2095-8412 （2020） 04-107-05

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.020

引言

風能是一種無污染和可再生的清潔能源，越來越多的社會力量正將精力投入到風能的開發上[1]。同時風力發電機單機容量也在不斷提高，電磁負荷與損耗增加，使得電機散熱功率增加[2]。若不能及時散去這部分功耗，將導致電機溫度上升，嚴重影響器件壽命和運行可靠性，甚至可能導致整個設備損壞。因此，合理設計風力發電機的冷卻通道，及時帶走電機工作產生的熱量，對電機溫度進行控制，成為電機前期研發的重要工作之一。

目前國內對風力發電機的溫度場研究較多，其中魏靜微等[3]為2 MW功率等級的風力發電機建立了1/12周期模型，對模型進行了三維穩態溫度場的分析和研究，指出了電機局部溫度過高的問題并提出了改善措施。丁樹業等[4]以高海拔用雙饋風力發電機為研究對象，建立了1/8周期模型，得到了流場和溫度場相耦合的求解模型，通過求解分析、試驗數據對比，為發電機在高海拔地區安全運行和設計提供了理論依據。

本文對4 MW～5 MW功率等級的大功率異步風力發電機的溫度場進行分析。首先建立全過程運行周期模型;然后通過數值方法研究發電機軸向和周向的溫度場;最后提出散熱優化方案，為風力發電機改進設計提供參考。

1 ?計算模型建立

1.1 ?數學模型

根據傳熱學理論[5-6]，在笛卡爾坐標系下，穩態運行狀態求解域內溫度場基本方程及其邊界條件滿足

（1）

其中，

T為物體的溫度，℃;

λx、λy、λz分別為求解域內各材料沿x、y、z方向的導熱系數，W/（m·k）;

qv為求解域內各熱源體密度之和，W/m3 ;

α為散熱面的散熱系數，W/（m2·k）;

Tf為散熱面周圍介質的溫度，℃;

s1和s2分別為絕熱面和散熱面。

1.2 ?物理模型

以額定功率為4 MW～5 MW的大功率異步風力發電機為分析對象，其物理模型如圖1所示，由風扇、換熱器和發電機本體三部分組成。其中風扇提供外部冷卻空氣，冷卻空氣經換熱器與內部高溫空氣換熱并帶走熱量，降低內部空氣的溫度。

冷熱流體分為兩股，如圖2所示。其中深色箭頭代表熱流體流動路徑，淺色箭頭代表冷流體流動路徑，具體如下：

（1）冷流體從鼓風機流入，從管子內部流出;

（2）熱流體從電機兩端流入，在徑向風扇的作用下，流過電機內部帶走電機熱量，熱流體往上流動通過換熱器，與管子內部的冷流體進行換熱，然后從換熱器兩端穿過，回到電機兩端，形成循環。

考慮到電機系統模型的復雜性，為了提高計算速度，這里將電機系統模型拆分成兩部分：第一部分包括風扇及冷卻管路，用于計算冷卻流量;第二部分去掉了風扇，計算時給定冷卻空氣流量，代替風扇。

1.3 ?仿真模型

從電機系統結構中提取換熱器及冷卻通道模型結構，如圖3所示。

模型包括轉子、定子和換熱器三部分，其中轉子和定子的個別組件結構細節特征較小，不利于網格劃分。為考慮計算收斂性，對模型進行了簡化處理，盡量減少對流場和溫度場的影響，轉子、定子簡化模型如圖4所示。

1.4 ?網格劃分

換熱器計算域采用非結構化網格，劃分結果如圖5所示，總網格量4 800萬。

定子和轉子網格劃分采用非結構化網格，面網格以四邊形為主，劃分結果如圖6所示。

2 ?仿真結果討論

2.1 ?參數輸入

發電機各部分材料物性輸入如表1所示。

2.2 ?風力發電機出口流量

風力發電機出口流量隨迭代時間步的變化曲線如圖7所示。可以看出，出口流量變化越來越小，可認為結果收斂，此時出口流量為7.29 m3/s。

2.3 ?電機溫度分布

對原始冷卻通道模型和優化冷卻通道模型進行了分析，圖8的發電機徑向截面溫度分布給出了原始冷卻通道模型發電機線圈最高溫度發生位置。可以看出，在周向上，高溫發生在線圈下部。主要原因分析如下：

（1）與定子外側框架有關。框架形成阻擋，不利于部分冷卻通道內的氣流流動，導致線圈溫度升高;

（2）與發電機系統結構有關。在周向上，上端離換熱器近，氣流經線圈后可直接流入到換熱器內，流動路徑短、阻力小;下端離換熱器遠，氣流流過定子線圈后在發電機底部形成紊流，需要消耗較多動力，因此往下的氣流速度小于往上的氣流，導致發電機下部的溫度偏高。

2.4 ?改進優化

通過對原始冷卻通道進行優化設計，即增加冷卻通道數、優化通風道寬度、調整通風溝角度降低周向上定子線圈最高溫度和平均溫度。根據計算結果，優化冷卻通道后，模型的定子線圈最高溫升降低10 K，體積平均溫度溫升降低3 K。因此，優化發電機的冷卻通道與形狀可以明顯降低發電機的最高溫度。為了驗證仿真結果的準確性，對風力發電機進行了溫升測試，測試工況及監測點數據與仿真保持一致。

3 ?結束語

本文對大功率異步風力發電機的溫度場進行了分析，通過數值方法獲得了冷卻通道模型的溫度分布，發現了高溫產生的根源。發電機定子線圈在周向上的溫度不可避免地存在差異，降低發電機底部的流阻有利于提升發電機周向溫度的均衡性。據此，通過增加冷卻通道數、優化通風道寬度、調整通風溝角度，使得定子線圈最高溫升降低10 K，體積平均溫度溫升降低3 K，達到了散熱目的。

參考文獻

[1] 程明， 張運乾， 張建忠. 風力發電機發展現狀及研究進展[J]. 電力科學與技術學報， 2009， 24（3）： 2-9.

[2] 何偉， 田德， 鄧英， 等. 風力發電機組旋轉湍流風場數值模擬[J]. 中國電機工程學報， 2013， 33（11）： 82-87， 14.

[3] 魏靜微， 黃全全， 譚勇， 等. 2 MW空冷風力發電機熱性能分析及改善[J]. 哈爾濱理工大學學報， 2016， 21（6）： 79-83.

[4] 丁樹業， 葛云中， 孫兆瓊， 等. 高海拔用風力發電機流體場與溫度場的計算分析[J]. 中國電機工程學報， 2012， 32（24）： 74-79， 13.

[5] 張福成. 基于FLUENT的風力發電機流場仿真研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2012.

[6] 丁樹業， 孫兆瓊. 永磁風力發電機流場與溫度場耦合分析[J]. 電工技術學報， 2012， 27（11）： 118-124.

作者簡介：

龍英睿（1982—），通信作者，女，漢族，湖南長沙人，碩士研究生，高級工程師，在江蘇中車電機有限公司從事電機設計工作。

E-mail： 28223155@qq.com

（收稿日期：2020-06-30）

Analysis and Optimization of Thermal Performance for High-Power Asynchronous Wind Turbine

LONG Ying-rui1， ZOU Qiang-long1， ZHANG Dong-ni1， XU Rui2

（1. Jiangsu CRRC Electric Co.， Ltd， Zhuzhou 412001， China;

2. Yi Duo Information Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201108， China）

Abstract： The thermal performance of wind turbine has a significant impact on device life and equipment operation reliability. Taking a 4 MW～5 MW high-power asynchronous wind turbine as the research object， the whole period model is established， and the steady-state temperature field is obtained by numerical method. The simulation results show that there are differences in the generator temperature around the circumferential direction， and the temperature in the lower part of the coil is significantly higher than that in the upper part. The simulation results show that the original stator outer frame and generator system structure make the lower cooling air flow resistance larger than the upper part， and the cooling air volume is relatively less. Based on this， the improvement scheme of increasing the number of cooling channels， optimizing the width of ventilation channel and adjusting the angle of ventilation channel are put forward. After the optimization， the maximum temperature rise of stator coil is reduced by 10 K， and the average temperature rise of volume is reduced by 3 K.

Key words： Wind Turbine; Thermal Performance; Temperature Field; Whole Period Model; Stator