MW级永磁同步风力发电机电磁场仿真

岳菁鹏，张新燕

(新疆大学，新疆乌鲁木齐 830047)

0 引 言

近些年来由于风力发电机技术的迅猛发展，风力发电机装机容量在整个电力系统中占据的比例也越来越重，且风能作为一种清洁能源日益被世界各国广泛应用。发电机是风力发电机组将风能转化为电能的重要装置，大型风力发电机的实际运行是一个非常复杂的物理过程，为了描述这一物理过程，对电磁场和温度场的分析以及多场相互耦合的分析是非常必要的［2－6］。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会存在偏差，不能准确反应发电机的运行工况［9－10］。文献［3－4］均利用建立数学模型、解析法、图解法等传统方法对发电机在正常运行和故障时电磁场和温度场进行计算，这些方法中有时需用到经验公式，其精度和准确度不高，计算结果可能与实际偏差较大。文献［5］基于有限元方法对同步风力发电机的静态电磁场进行仿真时采用简化处理，但只计算了静态电磁场。文献［6］利用有限元方法对风力发电机进行了三种方案的设计，得出当电机的极槽匹配关系不合理时电机磁场和温度场分布不均匀，且电机损耗较大，热负荷较高。文献［7］得到了双馈风力发电机的静、瞬态磁力线分布图和反电动势曲线，其中反电动势谐波含量较大。

本文通过Ansoft软件的RMxprt模块建立永磁同步风力发电机的精确物理模型，并且利用Maxwell 2D有限元分析软件的电磁场分析计算功能与后处理能力，有效准确地反映风力发电机在正常工况及故障状态下的风力发电机内部电磁场变化情况，进而为风力发电机的设计和故障诊断提供科学的依据。

1 建立永磁同步风力发电机模型

1.1 Ansoft仿真步骤介绍

利用Ansoft建立电机的有限元模型有两种方法:一种是在Maxwell 2D模块里根据风力发电机结构和尺寸数据直接完成物理建模;二是先利用An-soft RMxprt模块生成风力发电机二维模型，然后将模型导入Maxwell 2D，再利于求解器(2D Transient Solver)进行静态和瞬态磁场的求解。本文采用第二种方法，具体流程如图1所示。

图1 Ansoft仿真流程图

1.2 风力发电机基本参数

本文对1.5 MW三相(Y型连接)永磁风力发电机(以下简称PMSG)进行建模及仿真分析，主要参数如表1所示。

表1 PMSG主要参数

1.3 建立物理模型及设定材料

根据风力发电机物理参数在RMxprt模块下选择永磁电机模块建立物理模型，指定气隙(Air－gap)属性为空气;绕组(Coil)材料属性为铜;定子铁心(Stator)及转子轭(Yoke)材料属性为 DW465－50，该材料满足指定B－H曲线;永磁体矫顽力Hc=－947000 A/m，剩磁磁感应强度 Br=1.25 T，转子磁极采用斜极结构。RMxprt模块中模型如图2所示。

图2 RMxprt模块中PMSG模型

1.4 边界条件定义及加载

Maxwell 2D默认为自然边界条件，即不同媒质交界面场量的切向和法向边界条件属于自然边界条件，边界(Boundaries)参数设置为0，即假设边界无磁场通过。

2 PMSG瞬态磁场的计算

2.1 磁场求解器基本原理

在静磁场中，磁场强度满足安培环路定律:

根据麦克斯韦方程:

将式(3)代入式(2)，得:

根据亥姆霍兹定理在恒定磁场中可得矢量函数A和磁通密度B的关系:

将式(5)代入式(4)可得关于矢量磁位A满足的方程:

式中:Jz(x，y)为电流流动截面的电流密度;μr为求解域中材料的相对磁导率;μ0为真空中的磁导率;Az(x，y)为矢量磁位z轴分量。

上式理解静磁场求解器可以在给定的激励源Jz(x，y)情况下计算出求解域内各个点的矢量磁位。

2.2 仿真结果及分析

2.2.1 气隙磁密分析

气隙磁密波形如图3所示，发电机在运行时气隙磁密呈周期性变化，最大为0.7 T。但本文的例子中转子按照厂家提供的数据转子磁极采用斜极，可有效减小齿谐波磁场，不容易导致发电机振动，基本满足电机优化条件，如若出现谐波含量大，可以调节转子磁极的形状和尺寸，来满足气隙磁场的要求。

图3 气隙磁密波形

2.2.2 磁力线分布及其磁场密度分布云图

在额定运行状态下磁力线分布如图4所示，磁密分布云图如图5所示。由图可知，在定子槽、气隙、定子冲片、转子轭之间磁力线较均匀分布，定子齿在靠近磁极的磁力线较密，边界基本无漏磁。由于在定子齿顶处的磁云最密，在风力发电机运行时要注意该部分温度过高而引发故障。

图4 额定状态下的发电机内部磁力线分布

图5 磁密分布云图

3 结 语

通过上述对永磁直驱同步风力机建模和求解过程的介绍，可以看出利用有限元Ansoft软件可以较直观全面地完成对大型风力发电机内部主要部件的建模。

MW级直驱永磁风力发电机由于转子极数多，相应定子槽数多，相应气隙的齿谐波磁场影响大，本方案在设计电机时转子磁极采用斜极结构可以减少气隙磁场密度受齿谐波磁场的影响，有效预防发电机故障。

利用Maxwell 2D求解器对风力发电机的瞬态磁场的求解，能反映不同时刻发电机的磁场分布和磁场密度云图，为风力发电机的优化设计和故障诊断奠定基础。

［1］雷亚洲，Lightbody G.国外风力发电导则及动态模型简介［J］.电网技术，2005，29(12):27 －32.

［2］赵博，张洪亮.ANSOFT12在工程电磁场中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

［3］孙宇光，王祥衍，桂林，等.场路偶合法计算同步发电机定子绕组内部故障暂态过程［J］.中国电机工程学报，2004，24(1):136－141.

［4］霍菲阳，李伟力，王冬梅.大型水轮发电机阻尼条数对电磁参数和附加损耗的影响［J］.电机与控制学报，2011(5):89－94.

［5］段晓田，张新燕，张俊.基于ANSYS的直驱永磁发电机电磁场仿真［J］.华东电力，2009(12):1997 －2000.

［6］李伟力，程鹏，张美巍，等.1.5MW永磁风力发电机电磁场与温度场计算与分析［J］.电机与控制学报，2010(10):52－57.

［7］梅柏衫，刘海华，张金萍.兆瓦级双馈风力发电机电磁场有限元分析［J］.微电机，2010(10):26－29.

［8］何山，王维庆，张新燕，等.基于有限元方法的大型直驱同步风力发电机电磁场计算［J］.电网技术2010(3):157－160.

［9］李俊卿，马少丽，李和明.汽轮发电机不同负荷时电磁场的分析与计算［J］.华北电力大学学报，2009(7):1 －5.

［10］李伟清.汽轮发电机故障检测及预防［M］.北京:中国电力出版社，2002.

［11］刘国清.基于ANSYS永磁同步发电机的电磁分析［J］.机电工程技术，2009，39(5):68－70.