3.6MW永磁半直驅(qū)風力發(fā)電機抗去磁特性研究

曾 聰

3.6MW永磁半直驅(qū)風力發(fā)電機抗去磁特性研究

曾 聰

（中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，長沙 410114）

本文以某3.6 MW永磁半直驅(qū)風力發(fā)電機作為研究對象，基于有限元法對兩相及三相短路故障狀態(tài)下半直驅(qū)風力發(fā)電機的短路電流進行了仿真模擬。以故障狀態(tài)下風機去磁電流的最大值作為參考基準，并基于相同的去磁電流作用，比較永磁電機中兩款不同屬性的永磁材料的抗去磁特性。最終討論永磁體材料屬性對電機抗去磁性能的影響。

半直驅(qū)風力發(fā)電機 故障仿真 短路電流 抗去磁能力

0 引言

風力發(fā)電作為可再生能源中最具有商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景的新能源，近年來在我國得到了迅速的發(fā)展[1]。兆瓦級永磁發(fā)電機作為永磁風力發(fā)電機組中的重要核心部件，由于發(fā)電機結(jié)構(gòu)尺寸大，因此和傳統(tǒng)發(fā)電機具有很大的區(qū)別，同時并網(wǎng)運行時在電網(wǎng)故障下永磁電機會遇到永磁體失磁等現(xiàn)象，因而如何合理的校核永磁體的抗去磁能力，對于防止永磁風力發(fā)電機的失磁具有非常重要的意義[2～3]。本文針對以上這些問題，以一臺3.6MW半直驅(qū)風力發(fā)電機作為研究對象，仿真了電網(wǎng)故障狀態(tài)下永磁風力發(fā)電機的短路電流和退磁現(xiàn)象，并研究了永磁材料屬性對電機故障狀態(tài)下抗去磁特性的影響。

1 3.6 MW永磁半直驅(qū)風力發(fā)電機模型

1.1 3.6 MW永磁半直驅(qū)風力發(fā)電機主要設(shè)計參數(shù)

3.6MW半直驅(qū)風力發(fā)電機采用外轉(zhuǎn)子內(nèi)定子的結(jié)構(gòu)形式，3.6MW永磁風力發(fā)電機的主要電磁設(shè)計參數(shù)如表1所示。

稀土材料的價格高昂，單位輸出功率所需永磁體體積通常是衡量電機設(shè)計優(yōu)劣的重要指標之一，發(fā)電機的電磁功率P由下式?jīng)Q定：

式中：為功角，1為定子測電壓，E為空載感應(yīng)電動勢，X為發(fā)電機定子電抗。

永磁體體積與永磁材料的最大磁能積和磁能利用系數(shù)有關(guān)，最大磁能積越大，體積越小，磁能利用系數(shù)越大，體積越小，利用情況越小。

表1 3.6MW永磁半直驅(qū)風力發(fā)電機主要電氣參數(shù)

1.2 3.6 MW永磁半直驅(qū)風力發(fā)電機模型

永磁電機采用雙層繞組，定子和轉(zhuǎn)子鐵芯上開有槽口，永磁體為表貼式放置，基于電機仿真軟件RMxprt對發(fā)電機搭建的仿真模型如圖1。

圖1 發(fā)電機二維仿真模型

由于永磁風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其中需要考慮的因素很多，為了簡化模型和分析，在電磁場的仿真和計算中假設(shè)：

1）不考慮材料的各相異性，認為材料是各相同性的；

2）不考慮材料隨溫度變化的磁阻率；

3）認為電機中的磁場沿著圓周分布，軸向長度可以考慮設(shè)置成為不變的定值。

電機電磁場一般不考慮位移電流的影響，屬于似穩(wěn)場。電機中分析得最多得是垂直于電機軸的平行平面場，這時電流密度和磁矢位只有z軸方向上的分量，對于穩(wěn)態(tài)情況，平面場上的電磁場問題可以表示成為邊界值的問題:

基于maxwell電磁仿真軟件對電機穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)進行求解，仿真基于二位瞬態(tài)電磁場求解器求解，采用經(jīng)典網(wǎng)格剖分，三相電壓設(shè)置為電壓源激勵，電壓源的初始相位分別為：Va=579.696 x sin(2ix58.2t-68.1491i/180)，Vb=579.696 x sin(2ix58.2t-68.1491i/180-2*Pi/3)，Vc=587.861 x sin(2ix58.2t-68.1491i/180-4*Pi/3)，此時仿真得到的三相電流如圖2所示，從仿真結(jié)果和額定參數(shù)的對比中可以看出驗證該模型和電磁場求解的準確性。

圖2 發(fā)電機穩(wěn)態(tài)電流仿真結(jié)果

2 故障狀態(tài)下風力發(fā)電機抗去磁特性

2.1 永磁體抗去磁特性

退磁曲線所表示的是磁通密度與磁場強度之間的關(guān)系，只有在磁場強度單方面變化時才存在，實際上永磁電機在運行時受到的退磁磁場強度是反復(fù)變化的。退磁曲線是和回復(fù)曲線是永磁材料對外呈現(xiàn)的磁感應(yīng)強度和磁場強度之間的關(guān)系，還需要另一種表征永磁體內(nèi)在性能的曲線，在均勻的磁性材料中，磁性材料在外磁場作用下被磁化后大大加強了磁場。這時磁感應(yīng)強度含有兩個分量，一部分是與真空中一樣的分量μH，另一部分是由磁性材料磁化后產(chǎn)生的分量μM。磁感應(yīng)強度和磁場強度的關(guān)系為：

式中：為磁感應(yīng)強度，μ為真空磁導(dǎo)率，為磁化強度，為磁場強度。

磁穩(wěn)定性表示在外磁場干擾下永磁材料磁性能變化的大小，內(nèi)稟退磁上的磁極化強度為零時，相應(yīng)的磁場強度值稱為內(nèi)稟矯頑力，其數(shù)值為H，H的磁穩(wěn)定性越高，抗外磁場干擾能力越強。當H大的值反應(yīng)材料的抗去磁能力的大小。理論和實踐證明，一種永磁材料的內(nèi)稟矯頑力越大，則這種材料于某值時，退磁曲線全部變?yōu)橹本€，而且回復(fù)線與退磁曲線重合，在外施退磁磁場強度的作用下，永磁體的工作點在回復(fù)線上來回變化，不會造成不可逆退磁。為了驗證電機故障狀態(tài)下永磁體內(nèi)稟矯頑力對抗退磁特性的影響，現(xiàn)有兩種型號的永磁體材料1號和2號，由于其內(nèi)稟矯頑力不同，因此其抗去磁能力也不相同。本文中3.6MW半直驅(qū)風力發(fā)電機采用的1號和2號永磁材料的退磁參數(shù)如表2所示，其中兩種永磁體的內(nèi)稟矯頑力在數(shù)值上相差3.6%。

2.2 外電路仿真模型

永磁風力發(fā)電機在受到突然短路沖擊時，永磁體的工作點會降低，當工作點低于永磁體拐點時會產(chǎn)生不可逆退磁，最終導(dǎo)致永磁風力發(fā)電機的失效。在風電機組實際并網(wǎng)運行的過程中，風力發(fā)電機突然短路的暫態(tài)過程要比恒定電壓源電路復(fù)雜的多，所產(chǎn)生的沖擊電流可能達到額定電流的很多倍，對電機以及整個電氣系統(tǒng)的沖擊都將產(chǎn)生嚴重的影響，并對永磁體局部產(chǎn)生不可逆的退磁影響，同時永磁電機中永磁體出現(xiàn)局部失磁問題，需要借助電磁場數(shù)值計算才能準確的進行分析。

表2 1號和2號永磁材料性能參數(shù)

二維短路仿真時所使用的外電路如圖3所示，其中A相、B相和C相繞組分別由相應(yīng)的開關(guān)控制，當電流值達到穩(wěn)定后對開關(guān)進行動作從而實現(xiàn)兩相和三相的短路仿真。

2.3 電網(wǎng)故障仿真

基于二維模型對電機進行兩相短路電流仿真計算，設(shè)置電機運行溫度為120°C，設(shè)置在0.3s時對電機A相和B相同時短路，得到的電機兩相短路時的電流突變峰值如圖4所示，設(shè)置0.3s時電機短路。永磁風力發(fā)電機在突然短路故障下產(chǎn)生的短路電流比額定運行狀態(tài)下的電流會大出很多，此時的電流只有直軸電流，產(chǎn)生的退磁磁勢將全部作用在磁鋼上，如果磁鋼的抗去磁能力不足以抵抗此時的去磁作用，此時永磁體將出現(xiàn)嚴重的失磁。退磁仿真如圖5所示，可以從中看到穩(wěn)定時兩相短路電流峰值為5.1209kV，穩(wěn)定時三相短路電流峰值為5.8851kV。

電機在運行在某一特定功角θ時發(fā)電機定子電流分量為：

式中：I為軸去磁電流，I為軸電流。

此時定子電樞電流為：

在三相短路狀態(tài)達到穩(wěn)定時，其電流峰值為5.8851kV，此時將三相短路電流的5.8851kV全部設(shè)置為軸去磁電流，設(shè)置電機運行溫度為120°C。永磁體剩磁為11.96kGs，矯頑力為7.179kOe，從圖7中看出此時所加電流全部為軸去磁電流，基于三維模型仿真得到的磁鋼密度分布如圖8所示，從結(jié)果中可以看出磁鋼中部磁密最低，退磁的局部發(fā)生位置主要從磁鋼兩端開始。

圖4 電機兩相短路仿真

圖5 電機三相短路仿真

圖7 電機短路去磁電流

圖8 電機承受短路退磁電流時磁鋼磁密分布

為了分析永磁材料屬性對磁鋼抗去磁性能的影響，對1號永磁材料和2號永磁材料進行退磁對比分析。由于短路狀態(tài)下的沒有軸電流，所以在仿真分析時所加的電流全部為軸退磁電流，考慮退磁電流從最小值到最大值變化的過程中，即退磁電流峰值從1kV-8kV變化時磁鋼整體的磁密分布和性能變化如圖9和圖10中所示。

圖9 不同去磁電流下兩款磁鋼平均磁密對比圖

從圖9和10對比分析可得，1號和2號兩種磁鋼抗退磁能力基本相同，由于兩款磁鋼拐點均在0.3T左右，磁鋼在去磁電流峰值達到3500A時局部最低開始小于0.3T，此時局部開始失磁，在去磁電流峰值達到6000A時磁鋼內(nèi)的磁場開始反向。其中1號磁鋼拐點為0.311T，2號磁鋼拐點為0.3T，此時1號磁鋼最低磁密到達拐點處時的去磁電流峰值為3592.76A，2號磁鋼最低磁密到達拐點處時的去磁電流峰值為3590A，兩者誤差0.07%。

圖10 不同去磁電流下兩款磁鋼內(nèi)最低磁密對比圖

3 結(jié)論

本文通過對3.6MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機進行電磁場有限元仿真，以電機典型兩相和三相短路故障狀態(tài)下的風機去磁電流最大值作為分析上限，對比分析了兩款不同參數(shù)的磁鋼在不同退磁電流作用下的抗去磁性能，對比分析了磁鋼不同參數(shù)對抗去磁性能的影響，同時得到以下結(jié)論：

1）按最低磁密計算，1號磁鋼拐點處（0.311T）對應(yīng)的去磁電流為3592.76A，2號磁鋼拐點處（0.3T）對應(yīng)的去磁電流為3590A，以能承受的最大去磁電流作為抗去磁能力衡量標準，兩款磁鋼的抗去磁能力相差不大。

2）按平均磁密計算，1號磁鋼拐點處（0.311T）對應(yīng)的去磁電流為4000A，2號磁鋼拐點處（0.3T）對應(yīng)的去磁電流為4107.9A，以能承受的最大去磁電流作為抗去磁能力衡量標準，1號磁鋼比2號磁鋼的抗去磁能力降低2.69%。

通過對比分析可知，使用性能更高的永磁體在電機故障狀態(tài)下的抗去磁能力上更有優(yōu)勢。

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Study on Anti-demagnetization Characteristics of 3.6MW Semi-Direct Drive Permanent Magnet Wind Generator

Zeng Cong

（China Light Industry Changsha Engineering Co., Ltd., Changsha 410114, China）

TM343

A

1003-4862（2021）07-0018-05

2021-05-24

曾聰(1981-)，碩士，高級工程師。研究方向：電氣工程及其自動化。E-mail: zengcong@cecchina.com