直驱永磁风力发电机的瞬态电磁场计算

王 振，杨国伟，郭灯塔，王步瑶，雷向福，李素平



直驱永磁风力发电机的瞬态电磁场计算

王 振，杨国伟，郭灯塔，王步瑶，雷向福，李素平

（海上风力发电技术与检测国家重点实验室（湘潭电机股份有限公司），湖南湘潭 411101）

在进行直驱永磁风力发电机设计时，磁路计算无法得到电机的准确运行参数和运行特性。为了求解电磁参数和性能曲线，本文在阐述了瞬态场计算原理的基础上，对兆瓦级直驱永磁风力发电机进行了不同工作状态的场路结合计算，得到了电机在空载、独立负载和直接并网状态下的电磁场分布情况。计算结果表明电机电磁性能满足额定要求，不同负载下端电压可调节，可在一定范围内过载运行。本文论述的计算方法和计算流程对于研究永磁风力发电机具有较高的工程应用价值。

永磁风力发电机；电磁场；场路结合

0 前言

风力发电的发展已经成为各国政府应对能源危机和发展可再生能源的重要手段。我国已成为世界最大的风电市场，风电并网装机量位居世界前列，目前，国内风力发电机组主要采用异步风力发电机、双馈风力发电机、直驱永磁发电机三种机型。由于直驱永磁风力发电机不需要齿轮箱，噪声小，系统效率高等特点，近年得到了较快发展。

直驱永磁风力发电机的设计采用磁路计算与场计算相结合的方法进行。通过求解电磁场来分析磁场分布和电机性能，以修正磁路法计算精度不高的问题。永磁电机的电磁场计算可分为静态场计算和瞬态场计算两部分，静态场计算的是在一定激励条件下的某时刻的磁场分布，无法计算出电机的实际运行参数；瞬态场计算可把外电路方程和有限元方程联立，直接求解矢量磁位和绕组电流。文献[1]计算了空载和不同阻性负载时永磁风力发电机的性能，文献[2]只计算了永磁风力发电机的空载电磁场。本文采用场路结合法对湘电集团已批量化生产的2MW直驱永磁风力发电机进行了空载、独立负载和直接并网工况下的瞬态电磁场计算，文中给出了具体的计算方法，同时对计算结果进行了分析。这为直驱永磁风力发电机的设计提供了理论指导，具有较好的借鉴意义。

1 瞬态电磁场计算原理

为了简化计算，永磁电机的瞬态电磁场计算将电磁场当做似稳场处理，忽略磁滞效应和电导率、磁导率的温度效应，并将永磁材料用等效面电流模拟；电枢绕组端部效应由电路方程中的漏电感值计入[3]。

用磁矢位描述场，瞬态电磁场的定解问题可以用下列方程表示[4]：

为了考虑外电路和电机端部效应，可用场路耦合的方法计算电磁瞬态过程，通过电枢绕组的电动势将上述电磁场有限元方程与绕组电路方程联立，求解磁矢位和电流。感应电势和外电路方程如下：

2 电机计算模型

直驱永磁风力发电机采用表面式多极结构，为削弱感应电动势谐波和齿槽转矩采用分数槽绕组。利用磁场的周期性条件缩小求解区域，由于分数槽电机的每极每相槽数不同，有限元计算需取单元电机来进行分析。本文计算的电机额定功率2180kW，额定电流2040A，功率因数0.93，采用三相双Y绕组。为了保证计算精度，并适当减少计算量，在永磁体、气隙和定转子冲片等磁场较强和磁场变化较大的区域，三角形剖分网格取得小一些，其他区域取得大一些。为了保证在初始时刻感应电动势过零点，计算模型应使得A相绕组轴线和d轴重合。

3 空载计算

图1 空载感应电动势波形

对气隙磁密进行傅里叶分解，基波分量有效值为0.6415T。从空载电磁场分布图3可以看出，磁力线从磁极出发经过气隙、定子齿和定子轭到另一相邻磁极对应的定子齿、气隙、转子轭和磁极形成闭合回路。磁力线分布合理，由于永磁体两端开有限制漏磁用的空气槽，该电机漏磁较小。

图2 空载气隙磁密波形

图3 空载磁力线分布

4 独立负载计算

在风力发电系统中，永磁风力发电机输出的电功率经过交直交等变流变压环节输送到电网。但为了研究电枢反应对气隙磁场的影响和分析永磁电机带不同功率因数负载时的运行特性，需计算永磁发电机带独立负载时的电磁场和性能参数。电机带阻性、感性和容性负载时，外电路方程分别为：

表1 电机带不同负载时负载功率值

图4 不同负载时电机计算电压

图5 不同负载时电机计算输出功率

从计算结果可看出，电机带容性负载时的端电压高于阻性和感性负载。这是由于感性负载使得电枢电流滞后于空载感应电势，直轴电枢反应对气隙磁场起去磁作用；而容性负载使得电势电流超前于空载感应电势，直轴电枢反应起增磁作用。外电路阻抗达到0.45W以上时，端电压增加较小，电机磁路趋向饱和状态。当电机带0.12W的阻性负载时，电机可达到额定输出功率。由于电枢反应和外接负载的影响，电机的输出功率随负载大小呈非线性变化。由于永磁风力发电机的功率因数大于0.9，在设计阶段可用阻性负载来计算电机的输出功率性能。

5 直接并网计算

永磁风力发电机并联到电网时，电机的频率、电压幅值、相序和相位需与电网频率和电网电压一致。为了模拟直接并网工况，可将电网的数学模型等效为三相对称电压源，将永磁发电机的绕组输出端连接此对称电压源，电压源用下列方程表示：

将功率角设为变量，利用瞬态场计算原理，分别计算不同功率角时的电机电磁场，可得到永磁发电机的功角特性曲线。当功率角为40°时，电磁转矩为1243.2kN·m，输出功率为2131.8kW，此为额定运行点。从功角曲线可计算出电机的过载倍数为2.04，最大输出功率为4446.9kW。从永磁发电机额定运行时的磁力线分布图可以看出，漏磁比空载时大，由于定子交直轴电流对气隙磁密的影响，磁力线发生了较大变形。

图6 功角特性曲线

图7 并网额定运行时磁力线分布

6 结论

本文在论述了基于场路结合法的电磁场计算方法的基础上，对直驱永磁风力发电机进行了空载、独立负载和直接并网的计算，得到了电机的空载感应电势、气隙磁密、额定负载、额定功率角和最大输出功率等参数，以及外特性曲线和功角特性曲线。通过研究计算结果，表明该电机电磁设计合理，具有一定的过载能力，电磁性能满足设计要求。

在进行直驱永磁风力发电机设计时，采用上述方法可准确计算电机的性能参数，以修正磁路法计算无法考虑内部磁场饱和程度，采用的经验参数不准确等问题。永磁风力发电机在设计时采用本文论述的瞬态场计算方法，可缩短设计周期，为判定电机性能提供理论依据。

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The Transient Electromagnetic Field Calculation of Permanent Magnet Generator Directly Driven by Wind Turbine

WANG Zhen, YANG Guowei, GUO Dengta, WANG Buyao, LEI Xiangfu, LI Suping

(State Key Laboratory of Off-shore Wind-power Technology and Testing, XEMC, Xiangtan 411101, China)

In the process of designing permanent magnet generator directly driven by wind turbine, the accurate running parameters and performance can not be obtained by calculating the magnetic circuit of the generator. In order to solve electromagnetic parameters and performance curves, different running conditions of megawatt permanent magnet generator directly driven by wind turbine are analyzed and calculated by field-circuit method on the basis of demonstrating the principle of transient electromagnetic calculation in this paper. The electromagnetic distributions under no-load, independent load and direct gird-connected are obtained. The calculation results show that the electromagnetic performance of the generator meets the rated requirement, the terminal voltage can be regulated under different loads and the generator may run in the certain overload range. The presented calculation method and procedure in the paper have a great engineering application value for researching permanent magnet generator by wind turbine.

permanent magnet generator; electromagnetic field; field-circuit method

TM315

A

1000-3983(2014)05-0005-04

2013-10-15

海上风电关键技术研究(2010CB736201)

王振(1986-)，2011年毕业于南昌大学电机与电器专业，硕士，现从事永磁风力发电机的设计与研究工作，工程师。

审稿人：许善椿