MW级双馈风力发电机电磁场分析

常德宝，李瑞东

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)



MW级双馈风力发电机电磁场分析

常德宝，李瑞东

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

基于有限元法对一台1.5MW双馈风力发电机进行了建模，基于电磁场相关理论，对风力发电机正常工作时电机的磁场进行了计算和分析，得到了发电机运行时不同时刻电机内磁场的分布，通过分析与研究，确定并分析了发电机定、转子磁密最大值出现的位置和原因，并对谐波磁场进行了定量表征，为MW级风力发电机的开发提供了理论参考。

有限元；双馈风力发电机；电磁场

0　引言

近年来由于风力发电技术的迅猛发展，我国的风电产业得到了长足的发展目前，不仅装机容量在整个电网中所占的比例得到了明显提升，而且风力发电机的单机容量也越来越大，这就使得风机运行过程中出现故障的概率比之前更大，当风电机组出现故障时，不但会对风电场的正常运行产生影响，还可能会对地区电网系统运行稳定性产生一定影响。大型风力发电机正常运行发电的过程实际上是电机将大自然的风所携带的机械能转化为电能的过程，其内部运行过程是相当复杂的物理现象，所以对双馈电机正常工作时电机内电磁场分布状况的研究就很有必要。

目前，风电场运行的和市场上的MW级风电机组机型主要有永磁直驱风力发电机和双馈风力发电机两种机型[1]，[2]。由于变频技术的快速发展和在风力发电机中的应用，以及双馈风机供电可靠性高的优点，使得我国大型风力发电机的主要机型为双馈风力发电机。由于风电机组大部分安装在戈壁滩涂、郊外、海边或山地等环境较为恶劣的地区，使得风电机组运行过程中发生故障的概率增大。

文献[3]利用建立的风力发电机内部数学模型，通过解析法和图解法对发电机在正常运行和故障时的电磁场合温度场进行了计算。由于这些计算依赖传统的经验公式，其精度和准确度不高，计算结果与实际的偏差可能较大。传统的基于场路法、等效网络法等的分析方法，由于需要假定发电机的电磁参数，进而建立相应的数学模型，从而得到发电机仿真后的各种信息，这样的结果与实际情况同样会存在偏差，不能准确反应发电机的运行工况。本文基于此情况，对MW级双馈风力发电机电磁场进行分析。

1　双馈风力发电机的有限元模型

1.1双馈风力发电机物理模型

目前应用于电磁场仿真和分析的软件主要算法有：有限元法差分有限元和边界元法。由于有限元法的剖分精度高和适应性强等特点，使其成为科研和市场中的主流算法软件。分析的具体流程如图1所示。

本文所研究的1.5MW双馈风力发电机定、转子结构如图2所示，发电机定子槽为72槽，转子槽为48槽。定子绕组为双层叠绕，转子绕组为双层波绕。该风力发电机的具体参数数值及型式要求如表1所示。

1.2双馈风力发电机电磁场数学模型的建立

电机运行时，由于电机绕组中有电流流过，电机内存在着较为复杂的磁场分布，电机相当于一个电感元件。磁场作为一种媒介使得电机实现了机电能量的转换，在麦克斯韦创造性的给出了电磁场基本方程以后，为电机内的电磁场研究与分析提供了新的理论基础。

本文基于ANSYS Maxwell软件对1.5MW双馈风力发电机模型中各种材料的导磁性能和材料属性进行设置，并对其施加载荷和边界条件，然后对电机模型进行求解利用有限元软件的自动网格划分功能对电机模型进行网格剖分，剖分结果如图3所示。

利用有限元软件对电机电磁场进行计算时，由电磁场理论可知，对电磁场进行分析和研究其实就是对麦克斯韦方程组进行求解。麦克斯韦方程组的微分形式为

(1)

式中，B—磁感应强度，T；H—磁场强，A/m；J—电流密度，A/m；E—电场强度，V/m；D—电通密度，C/m；ρ—电荷体密度，V/m。

为了使问题得到简化，有利于数值求解，需定义2个量来把电场和磁场变量分开，分别形成独立的电场和磁场方程。这2个量分别是矢量磁位A和标量电位φ，由亥姆霍兹定理可知，A和φ可由下列方程表示

(2)

A和φ自动满足麦克斯韦方程组中的电磁感应定律和磁通连续性定律，然后根据全电流定律和高斯定律，可分别得到下列磁场和电场方程[15]

(3)

式中，μ和ε—介质的磁导率和介电常数；D=εE；B=μH。

根据建立的模型，本文进行了双馈风力发电机二维磁场的仿真计算。模型以1.5MW双馈感应发电机为对象，对双馈发电机处于亚同步状态时的磁场进行分析。双馈发电机采用交流励磁，通过调节励磁电流幅值、频率和相位，在风力机速度变化时可保证发出恒定频率和电压的电能。在额定负荷情况下，通过调节发电机转子励磁电流使定子导体流过额定电流，额定负载下磁力线分布如图4所示。

图5给出了不同时刻该MW级风力发电机内磁场分布，可以看出，由于电机稳定运行，0.008s和0.01s电机的磁密大小基本一致，最大值为1.97T。发电机定子磁密的最大值出现在定子齿顶位置，而发电机转子磁密最大值出现在转子齿的齿根处，这是由于转子齿根较狭窄，磁阻较大导致的。

发电机模型中定义气隙磁密分析路径，对气隙磁密进行分析。转子、定子形成的合成气隙磁密分布如图6所示。可以看出发电机气隙磁密波形正弦度较差，含有较高的谐波分析，谐波磁动势将在电机绕组中感生谐波电动势，产生谐波电流，引起一定的机械振动和噪声。

3　结语

本文基于电磁场理论，结合有限元数值分析，建立了一台1.5MW双馈风力发电机的二维物理模型，基于时步有限元法对其额定运行时的电磁场进行了研究并论证。

(1)正常运行状态时，发电机的磁力线分布、气隙磁通密度分析结果与电机学理论一致。

(2)发电机额定运行时，发电机定子磁密的最大值出现在定子齿顶位置，而发电机转子磁密最大值出现在转子齿的齿根处。

(3)发电机气隙磁密中的谐波含量很高，谐波磁动势将会在电机绕组中感生谐波电动势，产生谐波电流，引起一定的机械振动和噪声。

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Analysis on Electromagnetic Field of Megawatt Grade Doubly-fed Wind Power Generator

Chang Debao and Li Ruidong

(JiamusiElectricMachineCo.,Ltd.,Jiamusi154002,China)

A 1.5 MW doubly-fed wind power generator is modeled based on finite element method. The magnetic field of the motor during normal working is calculated and analyzed based on relative theory. The distributions of the magnetic field of the generator at different time are obtained. According to analysis and research, location and cause of appearing the maximum stator and rotor magnetic flux densities are determined and analyzed, then the harmonic magnetic field is quantitatively represented. It has provided theory reference for development of MW grade wind power generator.

Finite element；doubly-fed wind power generator；electromagnetic field

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.07

TM301.4+4

A

1008-7281(2016)04-0021-004

常德宝男1982年生；毕业于黑龙江大学，现从事电机技术管理工作.

2016-03-27