大功率双馈风力发电机内部流变特性数值仿真

丁树业， 孙兆琼， 姜楠， 邓磊， 谢颖

(1.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150080;2.上海迪吉意环保技术有限公司，上海 200233)

大功率双馈风力发电机内部流变特性数值仿真

丁树业1， 孙兆琼1， 姜楠1， 邓磊2， 谢颖1

(1.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150080;2.上海迪吉意环保技术有限公司，上海 200233)

针对发电机的通风结构及其内部流体的流动特性对电机内热量的传导以及运行性能具有很重要的影响，以一台3MW双馈风力发电机为例，根据流体力学以及传热学理论，建立三维流体场与三维温度场耦合的求解域物理模型，采用有限体积法对其进行数值求解，在利用发电机的整体温升对研究方法及计算结果进行校核的基础上，对发电机内不同冷却介质的速度、迹线、温升等参量的空间分布特性进行详细分析。通过计算，揭示大功率双馈发电机内冷却介质流变特性的分布规律，可为同类型发电机的通风结构设计以及更大容量风力发电机流体场的准确计算提供理论依据。

双馈风力发电机;三维流体场;流变特性;有限体积法;数值仿真

0 引言

随着人类对能源紧缺和环境污染问题的持续关注，可再生能源的开发与利用已成为世界各国关注的焦点，风能作为一种绿色的可再生能源以其蕴量丰富、分布广泛等优势异军突起。在过去的几年里，风力发电市场迅速发展，据全球风能协会统计，截至2009年末，世界风电累计装机总量达到157.9 GW［1－2］。目前的并网型风力发电技术主要有双馈异步、永磁直驱、普通异步等三种技术，在这三种技术中，双馈风力发电机由于其体积小、重量轻、供电质量高等特点，己成为并网型风力发电机的主流机型之一［3－4］。

大型发电机内的温升分布直接关系到机组的性能和经济指标，而电机内冷却介质的流变特性在很大程度上影响着电机各部件的温升，因此，对发电机内的流体场进行仿真是优化通风结构和提高发电机容量的必要基础［5］。目前，国内外一些文献中给出了各种电机内流变特性的研究实例［6－10］，其方法很有效，但多数以结构简单的电机为研究对象;国内诸多学者采用有限元法或有限体积法对大型水轮发电机以及汽轮发电机的发热与冷却进行了大量的研究［11－19］，但是仅仅针对一次冷却介质进行了计算。综合近年来的研究成果可以看出，对大型双馈风力发电机内部流体流动以及传热性能的研究成果相对很少。由于双馈风力发电机的冷却结构非常复杂，同时具有两种不同的冷却介质，大大提升了计算难度，所以对大型双馈风力发电机内冷却介质的流变特性进行研究具有一定的工程价值。

本文以一台3MW双馈风力发电机为例，基于计算流体力学原理以及传热学理论，建立了三维流体场与三维温度场耦合求解的数学模型以及物理模型，结合工程实际确定了基本假设及边界条件，采用有限体积法对电机内不同冷却介质的速度、温升、迹线、以及导热系数等空间分布特性进行了数值分析，并得出了发电机的整体温升分布。

1 模型的建立

电机内的物理场是相互影响、相互制约、具有一定耦合关系的综合场，因此，单独地计算流体场和温度场并不能准确描述电机内的实际发热情况。为了提高计算精确度，根据3MW双馈风力发电机通风系统内流体流动与传热的特点，建立了三维流体场与温度场耦合求解的数学模型和物理模型。

1.1 数学模型

1.1.1 三维对流换热控制方程

由流体力学基本原理［20］可知，发电机内流体的流动与传热满足质量、动量、能量守恒，当流体不可压缩且处于稳定流动状态时，相应的三维控制方程如下:

质量守恒方程为

式中u、v、w分别为x、y和z方向的速度分量。

动量守恒方程为

式中:ρ为流体密度;μ为动力粘度;p为流体压力。

能量守恒方程为

式中:cp为流体比热;T为温度;λl为流体导热系数。

1.1.2 三维导热方程

由传热学基本原理［21］可知，对稳态的温度场进行求解时，导热方程去掉了时间项，简化了方程求解的难度。选用三维稳态含热源各向异性介质的导热控制方程，在笛卡儿坐标系下，三维导热方程为

式中:T为固体待求温度(℃);kx、ky、kz为求解域内各种材料沿x、y以及z方向的导热系数(W/(m·K));q为求解域内各体热源密度之和(W/m3);α为散热表面的散热系数(W/(m2·K));Tf为散热面周围流体的温度(℃)。

1.2 基本假设

为了合理简化求解过程，做出以下基本假设:

1)电机内流体的雷诺数很大(Re＞2 300)，采用紊流模型对电机内的流体场进行求解;

2)电机内流体场中，流体流速远小于声速，即马赫数(Ma数)很小，故把流体作为不可压缩流体处理;

3)认为涡流效应对每根股线的影响相同，定、转子绕组铜损耗取其平均值，并认为端部绕组是直的;

4)由于只研究发电机内流体流速的稳定状态，即定常流动，因而导热方程不含有时间项。

5)由于发电机的通风沟与气隙相互独立，没有直接接触的地方，气隙内的空气仅受转子旋转的影响，因此沿轴向几乎不流动，将气隙内空气等效为仅具有导热效能的介质，导热系数根据文献［20－21］确定。

1.3 物理模型及边界条件

研究的3MW双馈风力发电机采用空冷与水冷搭配的方式冷却，冷却系统结构原理如图1所示。其中，空冷部分采用的是轴流式风扇，冷却空气流经转子风管、端部风道、以及位于中筒体与外筒体之间的定子外围风道，形成密闭循环冷却系统;水道分布在定子铁心圆周外侧的内筒体与中筒体之间，每半个圆周设置两个完整的水路冷却系统，每个完整的水路系统包括7条连通的水道，水道在定子外围沿圆周方向平行排列，内部的冷却水沿电机轴向流动，作为发电机的二次冷却介质。

图1 发电机通风系统结构示意Fig.1 Schematic diagram of ventilation cooling system

根据双馈风力发电机的定转子以及冷却系统的结构特点，考虑到冷却介质的性能，取发电机1/7圆周(即两条水道宽度)、整个轴向长度的定转子铁心、定转子绕组、风道以及水道作为研究对象，建立求解域的物理模型，如图2所示。在剖分的过程中，转子风管与定子外围风道内壁面附近，流体流动的剪切应力与摩擦阻力比较大，所以先对该区域进行了边界层划分。在计算求解区域内流体的流变特性与发电机整体温度分布时，流体区域网格数量的多少直接影响计算结果。文中经多次试算，直到找到计算结果基本不随网格数变化的情形，网格总数为789 524。图3为求解域剖分图的不同视图。

图2 求解域物理模型Fig.2 The physical model of solution region

图2中S1、S2分别为风道的入口和出口边界，S3、S4分别为水道的入口和出口边界，S5、S6为绝热面。具体边界条件设置如下:

1)风道入口为速度入口边界条件，给定速度大小为0.58m/s;

2)水道入口为速度入口边界条件，给定速度大小为1.7m/s;

3)风道出口为压力出口边界条件，压力值为1个标准大气压，水道出口边界条件根据实际条件给出;

4)发电机外壳及转子内圆为散热面，采用流体相似理论及公式即可得到相应的散热系数［5］;

5)流体除入口及出口边界条件外，其余与固体的接触面均视为无滑移边界。

方程采用分离、隐式迭代方式求解，压力耦合方程组采用SIMPLEC算法，其他方程均采用二阶迎风格式。进而获得收敛结果。

图3 求解域剖分图Fig.3 The mesh of solution region

2 整体温度场计算结果

经计算可以得到求解域内不同位置的温升变化情况，图4为整个求解域内温升分布特性图，由图可以看出整个求解域内的温升变化比较剧烈。

图4 三维温度场计算结果Fig.4 Calculation result of 3－D temperature field

转子部分的发热十分明显，尤其是转子上层绕组的温升最高。这是由于转子位于发电机内部，尽管转子风管内的冷却空气流动性能较好，但仅仅对转子铁心的冷却效果比较明显，而对距离风管较远的转子绕组的冷却效果却很差;虽然转子上层绕组靠近气隙，但气隙部分的空气几乎不流动，导致发电机转子外表面的对流散热系数很低。转子部分产生的热量只能沿半径反方向导散出去，而且距离转子风管越远冷却效果越差，因此导致转子上层绕组温升很高，最高可达76.54K。

而定子槽内绕组以及定子铁心的温升相对较低，定子端部绕组的温升相对较高。定子部分的铁耗与铜耗在数值上与转子部分相当，在定子轭部外围不仅有冷却空气流过，而且换热能力较强的冷却水又带走一部分热量，因此定子铁心及定子槽内绕组的温升较低。但是由于端部风路内冷却空气的冷却效果不明显，使得定子端部绕组的热量不能有效的导散出去，因此定子端部绕组的温升要高于槽内绕组。计算结果显示定子绕组最高温升为65.12K。

由于发电机主绝缘按F级考核，可见发电机的最高温升处于绝缘温升极限范围内，并留有一定的裕量，说明发电机整体温升的计算结果有效。而本文所采用的是流体场与温度场耦合求解的方法，发电机固体部件的温升分布与流体的流速、迹线、温度等流动特性密切相关，因此可以判断本文对发电机内部流变特性进行数值仿真的结果正确有效，所采用的研究方法合理可行。

3 一次冷却介质的特性分析

3.1 一次冷却介质的流速分析

由于大功率双馈风力发电机的通风结构比较复杂，风道内流体的流速分布也非常复杂，图5给出了发电机径向截面不同位置处冷却空气的流速分布，采样位置如图3中1号、2号、3号采样面。

图5 发电机径向截面冷却空气速度分布Fig.5 Velocity distribution of cooling air on radial cross section

由图5可以看出风道入口处的风速较低，在靠近定子下层绕组的位置冷却空气的流速几乎为零，而靠近转子风管处的气体流速明显增加。这是由于风道入口与转子风管之间的压力差较大，使得通过该位置的空气流量较大。在风扇侧端部风路处，流体流速分布十分复杂，靠近定子下层绕组端部的风速相对较高，为6.19～14.97m/s，在靠近转子端部的风速较低，为0.99～4.39m/s。转子风管与铁心外围风道内的风速较大，并且流速分布比较均匀。

3.2 一次冷却介质的流线分析

为详细分析端部风路的流体流动情况，图6给出了发电机内冷却空气的流线图，由于计算结果为稳定状态，发电机内冷却气体的流动特性不随时间变化，因此流体的流线与流体微粒的运动迹线重合。从图6中可以看出，转子风管以及定子外围风道均为狭长管道，冷却空气的流动受到风道形状的束缚，其内部的气体能够沿统一的方向流动，具有一定的规律性。而端部风路内冷却气体的流动情况十分复杂，风腔内的冷却空气形成杂乱无章的涡流。端部风腔内部的结构形状对流体运动方向的约束力很小，而且端部风腔的入口及出口位于同一侧，使得其内部冷却空气的流动方向变化十分剧烈，流动性能较差。

图6 发电机内冷却空气流线图Fig.6 Path lines of cooling air inner generator

3.3 一次冷却介质的温升计算结果

冷却介质的温升直接关系到电机通风系统内热交换的好坏，冷却介质温升过低，说明电机内部热交换不完全，造成流量的浪费;相反如果冷却介质温升过高，则容易造成发电机局部温升过高，导致电机烧毁，因此冷却介质的温升分布情况是十分重要的［15］。图7描述了发电机风道内冷却空气的温升分布情况，可以看出沿着冷却气体的流动方向，气体温升有先增加后减小的趋势，在转子风管内，冷却空气的温升沿进气方向迅速增加，到达端部风路时，温升最高可达39.61K，进入外围风道后，冷却气体与二次冷却介质进行能量交换，使得气体温升有所降低。通过数值分析可知:冷却气体在电机内循环一次之后，在到达本求解域的风路出口时，冷却气体的平均温升仅为5K左右，为冷却空气的再次循环做好准备。

图7 冷却空气整体温升分布Fig.7 Temperature rise of cooling air

4 二次冷却介质的特性分析

4.1 二次冷却介质的流速分析

图8给出了水道圆周中心面处冷却水的流速分布。由图示可以看出水道内流体的速度分布是十分不均匀的，1号水道内入口侧的挡板壁面为“背风”面，另一侧为“迎风”面;2号水道内出口侧的挡板壁面为“迎风”面，另一侧为“背风”面。在“背风”面附近，冷却水的流动速度较低，“迎风”面附近流速相对较高，在水道内壁靠近端部的位置流体流动性能较差。

图8 水道内流体场分布Fig.8 Distribution of fluid field inner water channel

4.2 二次冷却介质温升计算结果

图9给出了水道圆周中心面处冷却水的等温线分布图。由图示可以看出，水道内流体温度沿流动方向有增加的趋势，靠近端部风道一侧的流体温度较高，计算结果显示本求解域的水道出口处的最高温升为2.59K。

图9 水道周向温升分布Fig.9 Temperature rise of cooling water on circumferential cross section

由于双馈风力发电机的一次冷却介质在密闭的风道内循环流动，冷却空气的作用仅仅是利用对流换热将电机某部位的热量传送到另一部位，并不能将热量导散出去，而冷却气体将吸收的那部分热量在定子外围部分传递给二次冷却介质，并由二次冷却介质带到电机外部。换言之，电机内产生的热量主要是由二次冷却介质带走的。

为了更明确地分析发电机的降温过程，表1给出了本求解域内热量导散的分配表。从表中数据可以看出，电机内部的发热量主要是由二次冷却介质带走，而电机表面散热量只占很小的一部分，因此二次冷却介质的作用不可忽略。由于冷却水的流速很大，使得对流换热的能力较强，能够与一次冷却介质进行充分的热交换，将大量的热量带到电机外部。而由于水本身的物理性质决定了水具有较强的对流换热能力，虽然带走了电机内大量的热量，但本身的温升却很低。

表1 热量导散分配表Table 1 Distribution list of heat conduction

5 结论

本文通过对3MW双馈风力发电机内部冷却介质的流变特性进行数值计算和特性分析，得出如下结论:

1)一次冷却介质的流变特性分布比较复杂，转子风管与定子外围风道内冷却空气的流动比较规律，而端部风腔内的气体流动性能较差;

2)电机内部产生的热量主要是由二次冷却介质带到电机外部，冷却水的换热能力较强，而本身的温升很低;

3)利用发电机整体温度场的计算结果以及发电机的绝缘等级，验证了本文研究方法的合理性，以及流体场计算结果的正确性。

［1］ 施跃文，高辉，陈钟.特大型风力发电机组技术现状与发展趋势［J］.神华科技，2009，7(2):34 －38.

SHI Yuewen，GAO Hui，CHEN Zhong.Technological development trends of super-large wind generating set［J］.Shenhua Technology，2009，7(2):34－38.

［2］ 程明，张运乾，张建忠.风力发电机发展现状及研究进展［J］.电力科学与技术学报，2009，24(3):2－9.

CHENG Ming，ZHANG Yunqian，ZHANG Jianzhong.Development and research progress of wind power generator［J］.Journal of Electrical Power Science and Technology，2009，24(3):2－9.

［3］ 王富，徐学渊.我国风力发电市场前景及存在的问题［J］.电站辅机，2010，31(1):1 －4.

WANG Fu，XU Xueyuan.Prospect and problem of wind power market in China［J］.Power Station Auxiliary Equipment，2010，31(1):1－4.

［4］ 吴冰，王建良.双馈风力发电机运行原理分析［J］.电气开关，2008，06:6 －11.

WU Bing，WANG Jiangliang.Analysis on operation principle of double-fed wind-driven generator［J］.Electric Switchgear，2008，06:6－11

［5］ 丁舜年.大型电机的发热与冷却［M］.北京:科学出版社，1992:15－43.

［6］ ARMOR A F，CHADM VK.Heat flow in the stator core of large turbine-generators by the method of three-dimensional finite elements:PartⅠ:Analysis by scalar potential formulation:PartⅡ:Temperature distribution in the stator iron［J］.IEEE Trans，PAS－95，1976，(5):1648－1668.

［7］ MILOS Bekovic，ANTON Hamler.Determination of the heating effect of magnetic fluid in alternating magnetic field［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(2):552－555.

［8］ MARIGNETTI F，DRLLI Colli V，COIA Y.Design of Axial Flux PM Synchronous Machines Through 3-D Coupled Electromagnetic Thermal and Fluid-Dynamical Finite-Element Analysis［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(10):3591－3601.

［9］ KRISTIANSEN H，FALLET T，BJORNEKLETT A.A study on the evaporation heat transfer in the cooling of high power electronics［J］.Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium.1994:114－120.

［10］ SARKAR D.Use of 3-dimensional finite elements for computation of temperature distribution in the stator of an induction motor［J］.IEE Proceeding B，1991，138(2):75 －86.

［11］ 李伟力，杨雪峰，顾德宝，等.多风路空冷汽轮发电机定子内流体流动与传热耦合计算与分析［J］.电工技术学报，2009，12(24):24－31.

LI Weili，YANG Xuefeng，GU Debao，et al.Calculation and analysis of fluid flow and heat transfer of air-cooled turbo-generator with multipath ventilation［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2009，12(24):24－31.

［12］ 路义萍，郑国丽，李俊亭，等.空内冷汽轮发电机的转子多路通风均匀性［J］.中国电机工程学报，2010，30(3):99 －104.

LU Yiping，ZHENG Guoli，LI Junting，et al.Uniformity of multi-path ventilation in rotor of air inner-cooled turbo generator［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30(3):99－104.

［13］ 丁树业，孙兆琼，苗立杰，等.大型发电机定子主绝缘温度场数值研究［J］.电机与控制学报，2010，7(14):53 －58.

DING Shuye，SUN Zhaoqiong，MIAO Lijie，et al.Numerical investigation of stator main insulation temperature field for large generator.［J］Electric Machines and Control，2001，7(14):53－58.

［14］ 丁树业，李伟力，靳慧勇，等.发电机内部冷却气流状态对定子温度场的影响［J］.中国电机工程学报，2006，26(3):131－135.DING Shuye，LI Weili，JIN Huiyong，et al.Cooling air state inside generator effect on stator temperature fields［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26(3):131－135.

［15］ 靳慧勇，李伟力，马贤好，等.大型空冷汽轮发电机定子内流体速度与流体温度数值计算与分析［J］.中国电机工程学报，2006，26(16):168 －173.

JIN Huiyong，LI Weili，MA Xianhao，et al.Calculation and analysis of fluid velocity and fluid temperature in large air-cooled turbo-generator stator［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26(16):168－173.

［16］ 李伟力，丁树业，靳慧勇.基于耦合场的大型同步发电机定子温度场的数值计算［J］.中国电机工程学报，2005，25(13):129－134.

LI Weili，DING Shuye，JIN Huiyong.Numerical calculation of large synchronous generator stator temperature fields based on coupled fields［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25(13):129－134.

［17］ DING Shuye，LIU Haoran，SUN Zhaoqiong，et al.Research of fluid flow characteristic inside radial ventilation duct for large generator［C］∥ Power and Energy Engineering Conference March 28－31，2010，Harbin.China，2010，28(31):1－4.

［18］ 魏新劳，薛庆会，王永红，等.大型电机磁极线圈匝间绝缘中频试验技术研究［J］.哈尔滨理工大学学报，2009，14(2):50－54.

WEI Xinlao，XUE Qinghui，WANG Yonghong，et al.Research on middle frequency voltage test technique used in turn-to-turn insulation test for pole coils of large electrical machines［J］.Journal of Harbin University of Science and Technology，2009，14(2):50－54.

［19］ 孟大伟，师阳，赵勇.感应电动机端部附加损耗的分析与计算［J］.哈尔滨理工大学学报，2010，15(6):1－4.

MENG Dawei，SHI Yang，ZHAO Yong.Analysis and calculation of additional losses in end region of induction motor［J］.Journal of Harbin University of Science and Technology，2010，15(6):1－4.

［20］ 章本照，印建安，张宏基.流体力学数值方法［M］.北京:机械工业出版社，2003:25－38.

［21］ 张奕.传热学［M］.南京:东南大学出版社，2004:18－107.

［22］ AИ鲍里先科，BΓ丹科.电机中的空气动力学与热传递［M］.魏书慈，邱建甫译.北京:机械工业出版社，1985.

［23］ XYPTERAS J，HATZIATHANASSIOUV.Thermal analysis of an electrical machine taking into account the iron losses and the deep-bar effect［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，1999，14(4):996－1003.

(编辑:刘素菊)

Numerical simulation of rheological properties inside large doubly-fed wind generator

DING Shu-ye1， SUN Zhao-qiong1， JIANG Nan1， DENG Lei2， XIE Ying1
(1.School of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China;2.DG Environmental Technology Limited Company，Shanghai 200233，China)

Heat transfer and operating performance of generator are closely related to the ventilation structure and fluid flow behaviour.Taken a 3MW large doubly-fed wind generator as an example，physical model of three dimensional fluid and temperature coupled field was established according to hydromechanics and heat transfer theory.On the base of the correctness of researching method and computing result proved by the temperature rise distribution of the whole generator，the space distribution characters of different cooling medium inner generator，such as flow velocity，path line，temperature rise and heat transfer coefficient，were analysed numerically using finite volume method.Rheological properties of cooling medium inner generator was obtained，by which a theory gist for design of ventilation structure for the same type generator and accurate calculation of fluid fields for the larger capacity wind generator is provided.

doubly-fed wind generators;3D fluid field;rheological properties;finite volume method;numerical simulation

TM 315

A

1007－449X(2011)04－0028－07

2010－11－30

高等学校博士学科点专项科研基金(20102303120001);黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目(1154G38);哈尔滨市科

技创新人才研究生专项资金项目(RC2009QN007018)

丁树业(1978—)，男，博士，副教授，研究方向为大型发电机综合物理场的数值研究;

孙兆琼(1986—)，女，硕士研究生，研究方向为发电机物理场数值分析;

姜 楠(1988—)，女，学士，研究方向为风力发电机的理论研究;

邓 磊(1987—)，男，学士，助理工程师，研究方向为大型通风设备的电气设计与研发;

谢 颖(1974—)，女，博士，副教授，研究方向为电机电磁计算、感应电机故障诊断及检测。