鞠孝偉，張鳳閣，劉 豪

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雙定子直驅(qū)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)原則與反電勢(shì)分析

鞠孝偉，張鳳閣，劉 豪

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870)

無(wú)刷雙饋電機(jī)具有固有極數(shù)高、無(wú)刷可靠、變流器功率小的優(yōu)點(diǎn)，而且可實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，特別適合大型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。針對(duì)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大徑長(zhǎng)比，轉(zhuǎn)子內(nèi)腔空間不能被充分利用，導(dǎo)致電機(jī)功率密度低的問(wèn)題，本文提出了一種具有雙定子結(jié)構(gòu)的無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。首先設(shè)計(jì)了一臺(tái)3 MW，25 r/min的單定子無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，并在此電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)腔中增加了一個(gè)定子，形成雙定子的電機(jī)結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變槽數(shù)、繞組匝數(shù)、槽寬等進(jìn)行了多方案對(duì)比，最終確定電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，并利用有限元法，分析了電機(jī)的空載反電勢(shì)波形。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的雙定子直驅(qū)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有良好的空載特性。

風(fēng)力發(fā)電；直驅(qū)；雙定子無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)；電磁設(shè)計(jì)；有限元法

0 前言

風(fēng)能作為一種可持續(xù)清潔能源，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。各國(guó)科研技術(shù)人員也在不斷地尋求更好的利用風(fēng)能資源的方法。近海風(fēng)場(chǎng)可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源是陸地的3倍，儲(chǔ)量十分豐富。而且海上風(fēng)能具有穩(wěn)定性好，風(fēng)速高、容易預(yù)測(cè)等突出優(yōu)勢(shì)。所以全球風(fēng)力發(fā)電正向著大型化和具有高可靠性的海上風(fēng)電方向發(fā)展，利用海上風(fēng)能發(fā)電已成為風(fēng)力發(fā)電的熱點(diǎn)[1]。

目前可應(yīng)用于MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)主要有兩種類型，分別為永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）和有刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）[2-5]。但是稀土永磁材料價(jià)格波動(dòng)較大，加之長(zhǎng)期處于海上鹽霧環(huán)境，永磁材料的腐蝕嚴(yán)重，存在不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)。而且永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要全功率變流器，變流成本過(guò)高，使得永磁同步發(fā)電機(jī)并不適合海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。有刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)由于結(jié)構(gòu)上的缺陷，可靠性較差，加之系統(tǒng)需要變速裝置，不但降低了可靠性，而且增加了制造成本，這將嚴(yán)重影響海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，迫切需要一種性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠、免維護(hù)、成本低廉、運(yùn)輸安裝方便、體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)直驅(qū)的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以滿足大容量海上風(fēng)電機(jī)組的客觀需求。

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)（BDFG）是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，由于具有固有極數(shù)高、無(wú)刷可靠、變頻器容量低、可實(shí)現(xiàn)變速恒頻恒壓發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，十分適合用于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[6-9]。但是由于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的徑長(zhǎng)比較大，使得BDFG的轉(zhuǎn)子內(nèi)腔空間不能被充分利用，導(dǎo)致該種電機(jī)的功率密度較低?；贐DFG應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的固有優(yōu)勢(shì)和目前所存在的問(wèn)題，本文提出采用雙邊勵(lì)磁結(jié)構(gòu)增加電機(jī)的功率密度的方法，即在轉(zhuǎn)子內(nèi)腔中增加一個(gè)定子，形成內(nèi)外雙定子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的雙定子直驅(qū)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DSBDFG）具有良好的空載特性。

1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

DSBDFG內(nèi)外共兩個(gè)定子，中間采用模塊化磁障轉(zhuǎn)子，通過(guò)隔磁環(huán)上的燕尾槽固定。隔磁環(huán)既可以起到支撐轉(zhuǎn)子模塊的作用，也可以起到隔磁的作用。磁障中嵌入銅質(zhì)短路環(huán)，形成混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其磁場(chǎng)調(diào)制能力較好。電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。為增強(qiáng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)械穩(wěn)定性，定轉(zhuǎn)子采用雙端固定的方式[10]。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電機(jī)原理

DSBDFG內(nèi)外定子中各有兩套不同極數(shù)的繞組，分別為功率繞組和控制繞組，如圖2所示。功率繞組直接與電網(wǎng)相連，而控制繞組通過(guò)雙向變流器與電網(wǎng)相連，通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組中加入勵(lì)磁電流的大小，在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，功率繞組可以輸出恒定幅值和頻率的三相交流電，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

2 電磁設(shè)計(jì)

2.1 電磁方案

電機(jī)額定參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基本參數(shù)

建立電機(jī)的仿真模型，在內(nèi)外側(cè)設(shè)置狄里克萊邊界條件，矢量磁位為0。由于電機(jī)模型較大，將其對(duì)稱分割為1/8模型，進(jìn)行模塊化仿真分析，并在分割處設(shè)置主從邊界條件。

無(wú)刷雙饋電機(jī)在直角坐標(biāo)系中的二維磁場(chǎng)方程：

其中JZ為Z軸電流密度分量，AZ為Z軸矢量磁位分量，Ω為求解域，1是求解域的邊界。

2.2 定子槽數(shù)選擇

由于直驅(qū)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率繞組直接與電網(wǎng)相連，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可由公式2表示為：

式中：r為轉(zhuǎn)速；p和c分別為功率繞組和控制繞組頻率；p和c分別為功率繞組和控制繞組極對(duì)數(shù)。

功率繞組直接與電網(wǎng)相連，p固定為50Hz。所以，無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)要實(shí)現(xiàn)直驅(qū)，就必須采用多極結(jié)構(gòu)。表2所示為電機(jī)采用不同槽數(shù)時(shí)的方案。槽數(shù)選擇較大時(shí)，齒距很小，鐵心容易發(fā)生局部飽和。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)槽數(shù)選擇不合理時(shí)，空載反電勢(shì)的波形畸變率會(huì)發(fā)生很大變化。當(dāng)采用每極每相槽數(shù)為0.8時(shí)，繞組畸變率較低，空載反電勢(shì)波形正弦度良好，所以選擇方案3。

表2 不同槽數(shù)方案比較

2.3 繞組匝數(shù)選擇

電機(jī)功率繞組反電勢(shì)p與繞組匝數(shù)直接相關(guān)。調(diào)節(jié)控制繞組匝數(shù)c，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)大小。通過(guò)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)調(diào)制作用，在功率繞組側(cè)感應(yīng)出反電勢(shì)，從而向電網(wǎng)側(cè)發(fā)電。如圖3所示，固定功率繞組匝數(shù)p，改變控制繞組匝數(shù)c，得到功率繞組反電勢(shì)p變化情況。當(dāng)c大于9以后，可以發(fā)現(xiàn)功率繞組反電勢(shì)p變化趨穩(wěn)，說(shuō)明此時(shí)電機(jī)鐵心接近飽和。考慮電機(jī)槽滿率，選擇控制繞組匝數(shù)為7匝。

圖3 功率繞組反電勢(shì)和控制繞組匝數(shù)的關(guān)系

2.4 槽寬

槽寬不僅影響電機(jī)齒部的機(jī)械強(qiáng)度，而且對(duì)電機(jī)的電磁性能影響較大。槽寬太小，要下入相同匝數(shù)的導(dǎo)體，必須增加槽深，從而會(huì)增大槽漏抗。槽寬太大，齒部寬度減小，相同勵(lì)磁情況下，齒部易發(fā)生局部飽和。通過(guò)改變槽寬，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化仿真，得到功率繞組反電勢(shì)p的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著槽寬的減小，即齒寬增大，p隨之增大，如圖4所示。這是因?yàn)樵诖怕方咏柡偷那闆r下，增大，會(huì)使得磁路磁導(dǎo)變大，所以每極磁通變大，故而導(dǎo)致p增大?？紤]槽滿率及槽漏抗的合理性，當(dāng)p達(dá)到額定值時(shí)，選擇槽寬為10mm。

圖4 功率繞組反電勢(shì)和槽寬的關(guān)系

最終得到電機(jī)的主要尺寸如表3所示。

表3 DSBDFG主要尺寸參數(shù)

注：c_out——外定子控制繞組匝數(shù)；p_out——外定子功率繞組匝數(shù)；c_in——內(nèi)定子控制繞組匝數(shù)；p_in——內(nèi)定子功率繞組匝數(shù)。

3 反電勢(shì)分析

3.1 氣隙徑向磁密

無(wú)刷雙饋電機(jī)定子槽中有兩套不同極數(shù)的繞組，通過(guò)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)調(diào)制作用實(shí)現(xiàn)間接耦合。氣隙磁場(chǎng)分布十分復(fù)雜，圖5所示為電機(jī)的空載氣隙磁密波形及其傅里葉分解諧波含量圖。

從傅里葉分解的諧波次數(shù)可以看出，較高的兩次諧波分別為64和80，該值恰好等于兩套繞組極對(duì)數(shù)值?？梢?jiàn)在超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子具有較好的耦合能力。控制繞組勵(lì)磁磁場(chǎng)可通過(guò)轉(zhuǎn)子將能量傳遞至功率繞組，并在功率繞組上感應(yīng)反電勢(shì)，供給電網(wǎng)側(cè)。

圖5 氣隙磁密頻譜圖

3.2 空載反電勢(shì)

電機(jī)為內(nèi)外雙定子結(jié)構(gòu)。內(nèi)外定子中各有兩套不同極數(shù)的繞組，分別為功率繞組（A,B,C,D,E,F）和控制繞組（a,b,c,d,e,f），如圖6所示。所以內(nèi)外繞組有兩種不同形式的連接方式，即串聯(lián)與并聯(lián)。

圖6 電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)示意

繞組（A,B,C,E,F,G）與繞組(a,b,c,d,e,f)串聯(lián)時(shí)，功率繞組空載反電勢(shì)波形如圖7所示，反電勢(shì)波形正弦度良好。DSBDFG內(nèi)外定子兩套繞組反電勢(shì)幅值相位相同，所以內(nèi)外反電勢(shì)之和即為電機(jī)空載端電壓。其中內(nèi)側(cè)功率繞組A相反電勢(shì)有效值約為430V，外側(cè)功率繞組D相反電勢(shì)有效值約為430V，兩者之和約為860V。

繞組（A,B,C,E,F,G）與繞組(a,b,c,d,e,f)并聯(lián)時(shí)，功率繞組空載反電勢(shì)波形如圖8所示，反電勢(shì)波形正弦度良好。DSBDFG內(nèi)外定子兩套繞組反電勢(shì)幅值相位相同，其中內(nèi)側(cè)功率繞組（A,B,C）相反電勢(shì)有效值約為430V，外側(cè)功率繞組(D,E,F)相反電勢(shì)有效值約為430V。

圖7 內(nèi)外繞組串聯(lián)空載反電勢(shì)波形

圖8 內(nèi)外繞組并聯(lián)空載反電勢(shì)波形

可以發(fā)現(xiàn)不論電機(jī)采用串聯(lián)還是并聯(lián)情況，內(nèi)外繞組的空載反電勢(shì)波形相位一致性很好。繞組選擇串聯(lián)模式時(shí)，電網(wǎng)側(cè)端電壓為高壓。采用并聯(lián)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)端電壓為低壓。這不僅增加了電機(jī)繞組連接多樣性，也增加了發(fā)電系統(tǒng)可靠性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)雙定子直驅(qū)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，初步確定了電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，介紹了電機(jī)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)原則，通過(guò)分析得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于MW級(jí)直驅(qū)式無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，確定極槽配合方案時(shí)，選擇合理的分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，可以更好地保證發(fā)電機(jī)空載反電勢(shì)的正弦度。

（2）所設(shè)計(jì)雙定子直驅(qū)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)外功率繞組的空載反電勢(shì)相位和幅值一致性良好，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)連接，具有良好的發(fā)電機(jī)空載特性。

本文所研究的內(nèi)容對(duì)大型雙定子直驅(qū)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究具有指導(dǎo)意義，電機(jī)的設(shè)計(jì)思路和研究方法，有益于課題的進(jìn)一步開(kāi)展和研究。

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Design Principle and Back EMF Anslysis of Direct-drive Dual-stator Brushless Doubly-fed Generator

JU Xiaowei, ZHANG Fengge, LIU Hao

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Brushless doubly fed generator (BDFG) is suitable for large variable speed constant frequency (VSCF) wind power generation system which has the advantages such as the more natural poles, brushless, and smaller power of the converter. But the power density of the generator is not high because of the large ratio of diameter to length, which hinders its application in the field of wind power generation. Aiming at the inherent advantages of the brushless doubly fed machine and the existing problems, a double stator brushless doubly-fed generator (DSBDFG) is put forward to make full use of the cavity of the inner rotor. Firstly, a 3MW, 25r/min single stator BDFG (SSBDFG) has been designed using fractional slot winding structure. Secondly, a DSBDFG has been ensured to add a stator in the inner cavity of the rotor based on the SSBDFG through comparison of different slot number, winding turn number and slot width. Finally, the parameters of DSBDFG are determined, and the no-load characteristics are simulated and analyzed by finite element method. The results show that the designed DSBDFG has good no-load characteristics.

wind power;direct-drive; dual stator brushless doubly-fed generator; electromagnetic design; finite element method

TM315

A

1000-3983(2017)07-0018-04

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51537007）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51277124）

2017-02-10

鞠孝偉 (1991-)，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器。