MW級(jí)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)仿真

岳菁鵬，張新燕

(新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊 830047)

0 引 言

近些年來(lái)由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量在整個(gè)電力系統(tǒng)中占據(jù)的比例也越來(lái)越重，且風(fēng)能作為一種清潔能源日益被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用。發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程，為了描述這一物理過(guò)程，對(duì)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析以及多場(chǎng)相互耦合的分析是非常必要的［2－6］。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［9－10］。文獻(xiàn)［3－4］均利用建立數(shù)學(xué)模型、解析法、圖解法等傳統(tǒng)方法對(duì)發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行和故障時(shí)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，這些方法中有時(shí)需用到經(jīng)驗(yàn)公式，其精度和準(zhǔn)確度不高，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際偏差較大。文獻(xiàn)［5］基于有限元方法對(duì)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的靜態(tài)電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真時(shí)采用簡(jiǎn)化處理，但只計(jì)算了靜態(tài)電磁場(chǎng)。文獻(xiàn)［6］利用有限元方法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了三種方案的設(shè)計(jì)，得出當(dāng)電機(jī)的極槽匹配關(guān)系不合理時(shí)電機(jī)磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布不均勻，且電機(jī)損耗較大，熱負(fù)荷較高。文獻(xiàn)［7］得到了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的靜、瞬態(tài)磁力線分布圖和反電動(dòng)勢(shì)曲線，其中反電動(dòng)勢(shì)諧波含量較大。

本文通過(guò)Ansoft軟件的RMxprt模塊建立永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的精確物理模型，并且利用Maxwell 2D有限元分析軟件的電磁場(chǎng)分析計(jì)算功能與后處理能力，有效準(zhǔn)確地反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)在正常工況及故障狀態(tài)下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)變化情況，進(jìn)而為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和故障診斷提供科學(xué)的依據(jù)。

1 建立永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

1.1 Ansoft仿真步驟介紹

利用Ansoft建立電機(jī)的有限元模型有兩種方法:一種是在Maxwell 2D模塊里根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸數(shù)據(jù)直接完成物理建模;二是先利用An-soft RMxprt模塊生成風(fēng)力發(fā)電機(jī)二維模型，然后將模型導(dǎo)入Maxwell 2D，再利于求解器(2D Transient Solver)進(jìn)行靜態(tài)和瞬態(tài)磁場(chǎng)的求解。本文采用第二種方法，具體流程如圖1所示。

圖1 Ansoft仿真流程圖

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

本文對(duì)1.5 MW三相(Y型連接)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSG)進(jìn)行建模及仿真分析，主要參數(shù)如表1所示。

表1 PMSG主要參數(shù)

1.3 建立物理模型及設(shè)定材料

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)物理參數(shù)在RMxprt模塊下選擇永磁電機(jī)模塊建立物理模型，指定氣隙(Air－gap)屬性為空氣;繞組(Coil)材料屬性為銅;定子鐵心(Stator)及轉(zhuǎn)子軛(Yoke)材料屬性為 DW465－50，該材料滿足指定B－H曲線;永磁體矯頑力Hc=－947000 A/m，剩磁磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br=1.25 T，轉(zhuǎn)子磁極采用斜極結(jié)構(gòu)。RMxprt模塊中模型如圖2所示。

圖2 RMxprt模塊中PMSG模型

1.4 邊界條件定義及加載

Maxwell 2D默認(rèn)為自然邊界條件，即不同媒質(zhì)交界面場(chǎng)量的切向和法向邊界條件屬于自然邊界條件，邊界(Boundaries)參數(shù)設(shè)置為0，即假設(shè)邊界無(wú)磁場(chǎng)通過(guò)。

2 PMSG瞬態(tài)磁場(chǎng)的計(jì)算

2.1 磁場(chǎng)求解器基本原理

在靜磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足安培環(huán)路定律:

根據(jù)麥克斯韋方程:

將式(3)代入式(2)，得:

根據(jù)亥姆霍茲定理在恒定磁場(chǎng)中可得矢量函數(shù)A和磁通密度B的關(guān)系:

將式(5)代入式(4)可得關(guān)于矢量磁位A滿足的方程:

式中:Jz(x，y)為電流流動(dòng)截面的電流密度;μr為求解域中材料的相對(duì)磁導(dǎo)率;μ0為真空中的磁導(dǎo)率;Az(x，y)為矢量磁位z軸分量。

上式理解靜磁場(chǎng)求解器可以在給定的激勵(lì)源Jz(x，y)情況下計(jì)算出求解域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的矢量磁位。

2.2 仿真結(jié)果及分析

2.2.1 氣隙磁密分析

氣隙磁密波形如圖3所示，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)氣隙磁密呈周期性變化，最大為0.7 T。但本文的例子中轉(zhuǎn)子按照廠家提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)子磁極采用斜極，可有效減小齒諧波磁場(chǎng)，不容易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)振動(dòng)，基本滿足電機(jī)優(yōu)化條件，如若出現(xiàn)諧波含量大，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁極的形狀和尺寸，來(lái)滿足氣隙磁場(chǎng)的要求。

圖3 氣隙磁密波形

2.2.2 磁力線分布及其磁場(chǎng)密度分布云圖

在額定運(yùn)行狀態(tài)下磁力線分布如圖4所示，磁密分布云圖如圖5所示。由圖可知，在定子槽、氣隙、定子沖片、轉(zhuǎn)子軛之間磁力線較均勻分布，定子齒在靠近磁極的磁力線較密，邊界基本無(wú)漏磁。由于在定子齒頂處的磁云最密，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)要注意該部分溫度過(guò)高而引發(fā)故障。

圖4 額定狀態(tài)下的發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁力線分布

圖5 磁密分布云圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)永磁直驅(qū)同步風(fēng)力機(jī)建模和求解過(guò)程的介紹，可以看出利用有限元Ansoft軟件可以較直觀全面地完成對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部主要部件的建模。

MW級(jí)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子極數(shù)多，相應(yīng)定子槽數(shù)多，相應(yīng)氣隙的齒諧波磁場(chǎng)影響大，本方案在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)子磁極采用斜極結(jié)構(gòu)可以減少氣隙磁場(chǎng)密度受齒諧波磁場(chǎng)的影響，有效預(yù)防發(fā)電機(jī)故障。

利用Maxwell 2D求解器對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)磁場(chǎng)的求解，能反映不同時(shí)刻發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)分布和磁場(chǎng)密度云圖，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和故障診斷奠定基礎(chǔ)。

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