兆瓦級永磁直驅(qū)風力發(fā)電機瞬態(tài)場分析

許志偉， 彭 曉， 呂雨農(nóng)

(湖南工程學院 風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104)

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兆瓦級永磁直驅(qū)風力發(fā)電機瞬態(tài)場分析

許志偉， 彭 曉， 呂雨農(nóng)

(湖南工程學院 風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104)

永磁直驅(qū)風力發(fā)電機是風力發(fā)電的中核心裝備，其設計分析具有重要意義.分析了永磁同步電動機轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)和永磁材料性能，利用Ansoft軟件對兆瓦級永磁直驅(qū)風力發(fā)電機進行瞬態(tài)場電磁分析.得到了空載、負載運行時永磁直驅(qū)風力發(fā)電機磁場分布.為永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的設計提供有效參考.

永磁直驅(qū)；風力發(fā)電機；電磁分析

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，其蘊量巨大；直驅(qū)式風力發(fā)電機組沒有齒輪箱，減少了傳動損耗，提高了發(fā)電效率[1-2]；同時，直驅(qū)技術(shù)省去了齒輪箱及其附件，簡化了傳動結(jié)構(gòu)，提高了機組的可靠性；而且，直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組的低電壓穿越使得電網(wǎng)并網(wǎng)點電壓跌落時，風力發(fā)電機組能夠在一定電壓跌落的范圍內(nèi)不間斷并網(wǎng)運行，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行.

1 永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁材料

對于兆瓦級永磁同步風力發(fā)電機的容量非常大，為了減小永磁材料的耗材量，節(jié)省生產(chǎn)成本，采用高磁能積的永磁材料.目前風機制造企業(yè)主要采用稀土鈷和釹鐵硼.永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有表面式、內(nèi)置式、爪極式三種結(jié)構(gòu).表面式又可分為凸出式和插入式兩種結(jié)構(gòu).

2 永磁同步發(fā)電機電樞繞組的設計

大功率風力發(fā)電機，因為額定電流大，相應的銅耗高.在設計電樞繞組時，需要選擇一定的齒槽面積和繞組線徑.同時齒部和軛部的磁通密度、機械強度滿足要求.使得電機的銅耗減少和效率提升.

2.1 繞組型式和繞組節(jié)距的選擇

雙層疊繞組，該繞組型式具有端部排列方便、線圈尺寸相同等特點.在兆瓦級永磁同步風力發(fā)電機常見.

通常會確定繞組節(jié)距y=5/6τ，如此能夠使得其基波繞組短距因數(shù)提高，同時還能夠減小其五次和七次相帶諧波磁動勢.

2.2 繞組的并聯(lián)支路數(shù)和每槽導體數(shù)

定子繞組并聯(lián)支路數(shù)a，定子繞組電流I較大時，常把繞組接成a路并聯(lián)，使每支路的電流減至Ia；也可采用數(shù)根導線并繞的方法使每根導線所通過的電流減小；雙層疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)a最多為2p,還需要滿足2pa為整數(shù)的條件.

有兩種方法來估算定子繞組的每相導體數(shù)ZΦ.第一種是根據(jù)氣隙磁通密度Bδ來估算，如公式(1)所示.

(1)

其中：UΦ為定子相電壓；

Kdp1為定子基波繞組系數(shù)；

第二種是根據(jù)電負荷A的值來估算：

(2)

其中：Iw=PN×103mUΦ為定子繞組每相功電流.

定子繞組每槽導體數(shù)ZQ的計算公式為：

式中：Q為定子總槽數(shù)；

2.3 導線規(guī)格和槽滿率的選擇

根據(jù)定子繞組導線電流密度J，熱負荷AJ可以得到導線截面積Ac的估算值，其確定公式如下所示：

或者

根據(jù)Ac的值可以確定導線并繞根數(shù)N和導線規(guī)格a×b.大型永磁同步電機采用扁導線成型繞組，導線截面積a×b一般應該小于3×8mm，且ba的值在1.5～4.0的范圍之內(nèi).

永磁同步發(fā)電機的定子槽的截面積必須有足夠大，使得每槽所有的導體能容易嵌線.用槽滿率Ks來表示電機槽內(nèi)導線的填充程度，公式如下所示：

(3)

其中：d為包含絕緣層的導線外徑；Asef為槽面積減去槽絕緣、層間絕緣以及槽楔所占用的面積后得到的電機槽有效面積.

槽滿率越高則槽的利用率越高，但槽滿率受到加工工藝的限制不能過高.永磁同步發(fā)電機的槽滿率通常會設計在70%～80%之間.

3 永磁同步發(fā)電機模型的空載、負載磁場分析

風力發(fā)電機功率2MW，60極數(shù)，定子外徑為3850mm，定子內(nèi)徑為3600mm.轉(zhuǎn)子外徑為3535mm.建立的永磁同步風力發(fā)電機的模型如圖1所示.在定義永磁材料的時，激磁方向是永磁磁極面域的坐標系的X軸的正方向.需要通過建立相對坐標系的方法來確定永磁磁極的激磁方向.通過在全局坐標系的基礎上建立相對坐標系統(tǒng)的方法來實現(xiàn)，有多少磁極，就需要建立多少個相對坐標系統(tǒng).

永磁直驅(qū)風力發(fā)電機空載磁阻力矩曲線、空載三相繞組磁鏈曲線和空載三相繞組反電勢曲線特性如圖2、圖3所示[3-5].

圖1 永磁同步風力發(fā)電機有限元模型

圖2 空載力矩曲線圖

圖3 空載三相繞組反電勢曲線圖

圖2所示的空載運行齒槽轉(zhuǎn)矩脈動的最大值可以達到5.45 kN·m，平均脈動幅值大于2 kN·m.

圖3中，三相永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的三相繞組磁鏈較好的呈現(xiàn)為正弦比例關(guān)系，有效值、最大值分別為5.5 Wb、7.0 Wb.

同時，圖3中，三相繞組反電勢波形為標準的正弦波，表明發(fā)電機空載發(fā)電質(zhì)量及輸出電壓設計達到預期目標.

負載運行的結(jié)果如圖4～圖6所示.

分析可知，負載運行時，由于同步電機電樞反應，氣隙磁場發(fā)生畸變，三相繞組的磁鏈、反電動勢均發(fā)生了變化.與電機實際運行情況相符.

圖4 負載運行發(fā)電機力矩曲線

圖5 負載運行磁鏈曲線

圖6 負載運行反電勢曲線

對永磁直驅(qū)風力發(fā)電機進行瞬態(tài)分析，在t=0.21 s時刻，空載和負載運行結(jié)果如圖7、圖8所示.

圖7、圖8中分別同時給出了空載、負載時磁力線分布Flux lines和磁通密度矢量Mag_B的分布圖.通過矢量所示的磁通密度的方向、大小的變化，可以看出永磁風力發(fā)電機在實際運行時磁場的變化和旋轉(zhuǎn)磁場的分布情況，對電機深層次的分析具有重要意義.

圖7 空載磁通密度分布

圖8 負載磁通密度分布

4 結(jié)語

通過對2 MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機進行電磁分析，利用空載特性，負載特性，磁場強度分布特性能在電機生產(chǎn)加工之前把握電機的性能，驗證設計方案，對電機的制造具有重要的理論指導意義.

[1] 王雅玲，徐衍亮，劉西全．雙定子永磁同步發(fā)電機 (II)—有限元分析及樣機試驗[J]．電工技術(shù)學報，2012，27(3)：68-72.

[2] 劉 婷，黃守道，歐陽紅林．2 MW 雙定子直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的設計[J]．微特電機，2012，40(9)：16-19．

[3] 呂雨農(nóng)，彭 曉，王步瑤，等．2 MW直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的電磁設計[J]．湖南工程學院學報，2016，26(1)：15-18.

[4] 戴志立，彭 曉, 直驅(qū)永磁風力發(fā)電機高溫短路去磁分析[J].湖南工程學院學報, 2014, 24(4): 8-10．

[5] 呂雨農(nóng)．基兆瓦級直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的電磁設計和研究[D]．湖南工程學院碩士學位論文，2015：45-52

Transient Field Analysis of MW Level Permanent Magnet Direct Drive Wind Generator

XU Zhi-wei,PENG Xiao,LU Yu-nong

(Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its control, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

The permanent magnet direct drive wind power generator is the core equipment of wind power generation, and its design analysis is of great significance. The performance of permanent magnet synchronous motor rotor magnetic pole structure is described, and the transient field electromagnetic analysis of MW level permanent magnet direct drive wind power generator is analyzed by using Ansoft software. The magnetic field distribution of permanent magnet direct drive wind generator is obtained, which provides effective reference for the design of permanent magnet direct drive wind power generator.

permanent magnet direct drive; wind power generator; electromagnetic analysis

2016-12-07

湖南省教育廳創(chuàng)新平臺項目(15K031);湖南省科技廳重點研發(fā)計劃項目(2016GK2018);湖南工程學院博士科研啟動基金(15046)；湖南工程學院教改項目(13017).

許志偉 (1978-)，男，博士，副教授，研究方向:新型風力發(fā)電機、特種變壓器等.

TM301.2；TM921.2

A

1671-119X(2017)02-0009-04