常德寶，李瑞東

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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MW級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)分析

常德寶，李瑞東

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

基于有限元法對(duì)一臺(tái)1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了建模，基于電磁場(chǎng)相關(guān)理論，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)電機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算和分析，得到了發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)不同時(shí)刻電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的分布，通過分析與研究，確定并分析了發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁密最大值出現(xiàn)的位置和原因，并對(duì)諧波磁場(chǎng)進(jìn)行了定量表征，為MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開發(fā)提供了理論參考。

有限元；雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；電磁場(chǎng)

0　引言

近年來由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展目前，不僅裝機(jī)容量在整個(gè)電網(wǎng)中所占的比例得到了明顯提升，而且風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量也越來越大，這就使得風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障的概率比之前更大，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，不但會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，還可能會(huì)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行發(fā)電的過程實(shí)際上是電機(jī)將大自然的風(fēng)所攜帶的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程，其內(nèi)部運(yùn)行過程是相當(dāng)復(fù)雜的物理現(xiàn)象，所以對(duì)雙饋電機(jī)正常工作時(shí)電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)分布狀況的研究就很有必要。

目前，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的和市場(chǎng)上的MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組機(jī)型主要有永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種機(jī)型[1]，[2]。由于變頻技術(shù)的快速發(fā)展和在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用，以及雙饋風(fēng)機(jī)供電可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，使得我國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要機(jī)型為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)電機(jī)組大部分安裝在戈壁灘涂、郊外、海邊或山地等環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，使得風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生故障的概率增大。

文獻(xiàn)[3]利用建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部數(shù)學(xué)模型，通過解析法和圖解法對(duì)發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行和故障時(shí)的電磁場(chǎng)合溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。由于這些計(jì)算依賴傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式，其精度和準(zhǔn)確度不高，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的偏差可能較大。傳統(tǒng)的基于場(chǎng)路法、等效網(wǎng)絡(luò)法等的分析方法，由于需要假定發(fā)電機(jī)的電磁參數(shù)，進(jìn)而建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，從而得到發(fā)電機(jī)仿真后的各種信息，這樣的結(jié)果與實(shí)際情況同樣會(huì)存在偏差，不能準(zhǔn)確反應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況。本文基于此情況，對(duì)MW級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)進(jìn)行分析。

1　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有限元模型

1.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)物理模型

目前應(yīng)用于電磁場(chǎng)仿真和分析的軟件主要算法有：有限元法差分有限元和邊界元法。由于有限元法的剖分精度高和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使其成為科研和市場(chǎng)中的主流算法軟件。分析的具體流程如圖1所示。

本文所研究的1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示，發(fā)電機(jī)定子槽為72槽，轉(zhuǎn)子槽為48槽。定子繞組為雙層疊繞，轉(zhuǎn)子繞組為雙層波繞。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的具體參數(shù)數(shù)值及型式要求如表1所示。

1.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的建立

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)繞組中有電流流過，電機(jī)內(nèi)存在著較為復(fù)雜的磁場(chǎng)分布，電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)電感元件。磁場(chǎng)作為一種媒介使得電機(jī)實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，在麥克斯韋創(chuàng)造性的給出了電磁場(chǎng)基本方程以后，為電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)研究與分析提供了新的理論基礎(chǔ)。

本文基于ANSYS Maxwell軟件對(duì)1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型中各種材料的導(dǎo)磁性能和材料屬性進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)其施加載荷和邊界條件，然后對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行求解利用有限元軟件的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，剖分結(jié)果如圖3所示。

利用有限元軟件對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由電磁場(chǎng)理論可知，對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行分析和研究其實(shí)就是對(duì)麥克斯韋方程組進(jìn)行求解。麥克斯韋方程組的微分形式為

(1)

式中，B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；H—磁場(chǎng)強(qiáng)，A/m；J—電流密度，A/m；E—電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；D—電通密度，C/m；ρ—電荷體密度，V/m。

為了使問題得到簡(jiǎn)化，有利于數(shù)值求解，需定義2個(gè)量來把電場(chǎng)和磁場(chǎng)變量分開，分別形成獨(dú)立的電場(chǎng)和磁場(chǎng)方程。這2個(gè)量分別是矢量磁位A和標(biāo)量電位φ，由亥姆霍茲定理可知，A和φ可由下列方程表示

(2)

A和φ自動(dòng)滿足麥克斯韋方程組中的電磁感應(yīng)定律和磁通連續(xù)性定律，然后根據(jù)全電流定律和高斯定律，可分別得到下列磁場(chǎng)和電場(chǎng)方程[15]

(3)

式中，μ和ε—介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)；D=εE；B=μH。

根據(jù)建立的模型，本文進(jìn)行了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)二維磁場(chǎng)的仿真計(jì)算。模型以1.5MW雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)為對(duì)象，對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)處于亞同步狀態(tài)時(shí)的磁場(chǎng)進(jìn)行分析。雙饋發(fā)電機(jī)采用交流勵(lì)磁，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流幅值、頻率和相位，在風(fēng)力機(jī)速度變化時(shí)可保證發(fā)出恒定頻率和電壓的電能。在額定負(fù)荷情況下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流使定子導(dǎo)體流過額定電流，額定負(fù)載下磁力線分布如圖4所示。

圖5給出了不同時(shí)刻該MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)分布，可以看出，由于電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，0.008s和0.01s電機(jī)的磁密大小基本一致，最大值為1.97T。發(fā)電機(jī)定子磁密的最大值出現(xiàn)在定子齒頂位置，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁密最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子齒的齒根處，這是由于轉(zhuǎn)子齒根較狹窄，磁阻較大導(dǎo)致的。

發(fā)電機(jī)模型中定義氣隙磁密分析路徑，對(duì)氣隙磁密進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)子、定子形成的合成氣隙磁密分布如圖6所示。可以看出發(fā)電機(jī)氣隙磁密波形正弦度較差，含有較高的諧波分析，諧波磁動(dòng)勢(shì)將在電機(jī)繞組中感生諧波電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生諧波電流，引起一定的機(jī)械振動(dòng)和噪聲。

3　結(jié)語

本文基于電磁場(chǎng)理論，結(jié)合有限元數(shù)值分析，建立了一臺(tái)1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的二維物理模型，基于時(shí)步有限元法對(duì)其額定運(yùn)行時(shí)的電磁場(chǎng)進(jìn)行了研究并論證。

(1)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)的磁力線分布、氣隙磁通密度分析結(jié)果與電機(jī)學(xué)理論一致。

(2)發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)定子磁密的最大值出現(xiàn)在定子齒頂位置，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁密最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子齒的齒根處。

(3)發(fā)電機(jī)氣隙磁密中的諧波含量很高，諧波磁動(dòng)勢(shì)將會(huì)在電機(jī)繞組中感生諧波電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生諧波電流，引起一定的機(jī)械振動(dòng)和噪聲。

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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

常德寶男1982年生；畢業(yè)于黑龍江大學(xué)，現(xiàn)從事電機(jī)技術(shù)管理工作.

2016-03-27