某型号兆瓦级双馈风力发电机结构优化分析

欧阳永峰，张 俊，杨英平

（海上风力发电技术与检测国家重点实验室（湘潭电机股份有限公司），湖南湘潭 411101）

某型号兆瓦级双馈风力发电机结构优化分析

欧阳永峰，张 俊，杨英平

（海上风力发电技术与检测国家重点实验室（湘潭电机股份有限公司），湖南湘潭 411101）

本文以兆瓦级双馈风力发电机为例，研究了定转子槽型结构对电机的影响，并综合考虑选取最佳槽型结构，另外针对降低电机齿谐波展开了研究，根据研究采用定子斜槽一个结构，此外本文还在电机零部件选材和减小滑环电流和变频器容量采取了一定的措施，最后对优化后的电机进行仿真和试验验证，验证结果表明优化后电机的电磁设计符合要求，且优化后的电机在散热方面具有一定的优越性。

双馈风力发电机 槽型结构 谐波率 电磁分析

0 引言

随着世界能源的不断消耗，全人类都开始研究新能源，其中风电以其清洁、无污染、成本低等优点，成为新能源和可再生绿色能源的重点领域，然而电机的性能优劣直接影响整个风电系统性能的好环，因此电机设计时一定要尽可能的最优[1-3]，本文以双馈风力电机为对象，对电机定转子槽型结构、散热方面、波形畸变等方面展开了研究。

1 定转子槽型结构分析研究

电机定转子槽型结构对电机性能和加工难易具有十分重要的影响，另外对电机的散热也十分重要，因此在电机设计时，应选取合适的槽型结构，以使电机在性能和加工难易达到最佳的效果。

1.1 定子槽型结构分析

在选取定子槽型时，主要有矩形开口槽和半开口矩形槽两种方式如图1、2所示。

定子矩形开口槽和半开口矩形槽各自有其不同的特点，其对比情况如表1所示，由表1可见在线圈加工、定子嵌线和磁路性能方面矩形开口槽结构均优于半开口矩形槽形结构。

针对两种不同槽型结构进行对比试验，试验状态为同一个转子、同一台冷却器、额定输出功率：1551 kW、额定转速：1750 r/min、额定定子电压：690 V、功率因数：0.95，其试验部分数据如表2、3所示。

图1 定子矩形开口槽

由表2、3可见，在其他条件相同的情况下，半开口矩形槽定子温升相比矩形开口槽定子温升约低10 K，虽然矩形开口槽结构在线圈加工、定子嵌线和磁路性能方面均优于半开口矩形槽形结构，但风力发电机温升是电机一个十分重要的性能指标，综合考虑本文定子槽型选半开口矩形槽。

图2 定子半开口矩形槽

表1 定子矩形开口槽和半开口矩形槽

表2 矩形开口槽部分试验数据

表3 半开口矩形槽部分试验数据

1.2 转子槽型结构分析

在选取转子槽型时，主要有以下两种方式：矩形开口槽和半开口矩形槽如图3、4所示。

转子矩形开口槽和半开口矩形槽各自有其优缺点，其对比情况如表4所示，由表4可见在槽楔、转子嵌线和转子热载荷方面矩形开口槽结构均优于半开口矩形槽形结构。

针对两种不同槽型结构进行对比试验，试验状态为同一个定子、同一台冷却器、额定输出功率：1551 kW、额定转速：1750 r/min、额定定子电压：690 V、功率因数：0.95，其试验结果如表5、6、7、8 所示。

图3 转子矩形开口槽

图4 转子半开口矩形槽

表4 转子矩形开口槽和半开口矩形槽

表5 矩形开口槽部分试验数据

表6 转子绕组热电阻值

表7 半开口矩形槽部分试验数据

表8 转子绕组热电阻值

开口槽转子绕组温升采用电阻法计算，从试验开始到试验结束（停车），记录转子绕组的电阻值（如表6），那么转子绕组温升Δt采用式（1）计算，由式（1）可得矩形开口槽转子绕组温为51.5 K。

式中：R0为停车时转子绕组电阻值；R1为启动时转子绕组电阻值；Ka铜导线取值235；t0为停车时试验环境温度；t1为启动时试验环境温度。

半开口槽转子绕组温升采用测电阻温升计算的方法，从实验开始到实验结束（停车），记录转子绕组的电阻值（如表8），那么转子绕组温升Δt采用式（1）计算，由式（1）可得半开口矩形槽转子绕组温为63.5 K。

由表5、6、7、8可见，在其他条件相同的情况下，转子开口矩形槽的电机转子温升相比半开口矩形槽温升约高12 K，并造成定子温升约高5至6 K，虽然在槽楔、转子嵌线和转子热载荷方面矩形开口槽结构均优于半开口矩形槽形结构，但本文从电机散热角度出发，因此转子槽型最后确定为半开口矩形槽。

1.3 定子斜槽降低齿谐波的分析研究

近年来，波形畸变带来的谐波污染日益引起各国电力工作者的普遍重视，而发电机作为电力系统中的主要元件，是电力系统谐波的重要产生源，同时，发电机自身的电压波形亦受系统中其他非线性负载的影响。发电机空载电压波形决定了电力系统谐波的基本特性，非线性负载引起的电网谐波特性决定于发电机参数和网络阻抗。

当电机采用斜槽后，由于同一根导体的各个微元段感应电势的相位不再相同，与直槽比较，导体中的感应电动势有所削弱。 因此要引入一个斜槽因数。把斜槽内的导体看作无限多根小直导体的串联，每两根相邻之间有一个微小的相位差α（α→0），短直导体数q→∞，而qα=β，β为整个导体斜过的电弧度，利用分布绕组中电动势合成的方法，得基波的斜槽因数ksk1如式（2）所示[4]。

对υ次谐波而言，式中的β为υβ，所以υ次谐波的斜槽因数kskυ如式（3）所示。

从式（2）可知，要用斜槽来消除第υ次谐波，只要使该次谐波的斜槽因数kskv=0，即使式（4）满足要求。

由式（4）可得导体斜过的距离c如式（5）所示。

电机生产过程中，定子斜槽相对转子斜槽工艺相对简单，所以采用定子斜槽一个齿距。针对定子斜槽与不斜槽的两种电机状态，进行对比试验，试验状态为额定输出功率：1551 kW、额定转速：1750 r/min、额定定子电压：690 V、功率因数：0.95，其试验结果如表9所示。

图5 齿谐波电动势

表9 定子斜槽与不斜槽的波形畸变率对比

经理论计算及实验可知，定子斜槽一个齿距可有效降低齿谐波，如表9可知斜槽一个齿距可降低电压波形畸变率50%，从而改善了波形。

2 优化分析研究

根据本文上述情况的分析和以往设计的经验，为了使发电机获得较好的电气性能，在电磁设计时采取了以下的措施：

（1） 选取低损耗，高导磁性能冷轧硅钢片，以降低电机铁耗，减小励磁电流。

（2） 定、转子均采用半开口槽，以降低电机的表面损耗及附加损耗，增加漏抗，改善定子电压波形。

（3） 对电机的谐波进行了分析计算，采用定子斜一个槽，以降低齿谐波。定子绕组为短距成型绕组（5τ/6），以削弱5、7次谐波。

（4） 为了减小定子绕组的挤流效应，增强热传导能力，采用了宽高比大且多根线并绕的硬绕组，使电机温升满足要求。

（5） 发电机的性能主要是由转差率、转子电压和定、转子电压间的相位角差决定的；所有这些参数的协调、控制都是由变频器来完成，所以为了保证发电机能在功率因数为－0.95～＋0.95的范围内，转速在 1000～2000 rpm范围内稳定运行，采用较高的转子电压和较小的转子电流，使变频器的容量控制在500kW内，转子滑环电流控制在550 A，转子采用较多槽96槽，这样可以减小滑环电流和变频器容量，虽增加了用铜量，转子连接焊接点较多，但这样有利于发电机稳定运行。

3 优化结果验证分析

为了验证优化后的电机是否能达到设计要求，本文利用ansoft软件对优化后的电机模型进行仿真计算[5]，其计算结果如图6-12所示。

图6 电机磁力线分布

由图6、7可知该电机的磁力线呈径向对称分布，其磁位仅有轴向分量；图8为气隙中一对极的B值沿周向的变化曲线，其磁极沿径向，由图6可知B值为一定；由图9 可知电机空载时的转速恒定在1700 rpm；由图10可知电压表所测的电压近似为发电机的空载电压600 V，与定子额定电压相符；由图11可知定子空载电流最大幅值约为2×10-6，近似为零；由图12 可知空载磁链波形符合正弦波。综上仿真结果可知该电机电磁设计符合要求。

图7 磁位A 分布

图8 气隙磁密分布

图9 电机空载转速曲线

图10 定子空载电压波形

为了验证优化后电机的散热情况，统计了优化前后电机关键部位的温升情况，并取其平均值进行对比，如表10所示，由表10可见优化后电机的前轴承平均温升下降2.1 K，后轴承平均温升下降4.8 K，定子绕组平均温升下降3.85 K，转子绕组的平均温升上升 1.3 K，温度场分布较为合理，优化后散热效果更为理想。

图11 定子空载电流波形

图12 空载磁链波形

4 结论

本文以兆瓦级双馈风力发电机为对象，研究了槽型结构对电机的影响，最终选取最佳槽型结构；另外还研究了降低电机齿谐问题，采用定子斜一个槽结构；此外本文还在电机零部件选材和减小滑环电流和变频器容量采取了一定的措施。最后对优化后的电机进行仿真和试验验证，验证结果表明优化后的电机电磁符合设计要求，且优化后的电机散热效果更好。

表10 电机关键部位平均温升对比如下(单位K):

[1]王承煦, 张源. 风力发电[M]. 北京: 中国电力出版社, 2003: 43-87.

[2]宁玉泉. 风力发电机的技术综述[J]. 大电机技术,2005, 1(8): 7-13.

[3]姚兴佳, 宋俊. 风力发电机组原理与应用[M]. 第 1版. 北京: 机械工业出版社, 2009: 181-186.

[4]超导感应电机的研究[D]. 浙江大学, 2008.

[5]基于ANSOFT电动汽车用永磁同步电机电磁设计及性能研究[D]. 西南交通大学, 2012.

Structural Optimization of A Doubly Fed Induction Generator

Ouyang Yongfeng, Zhang Jun, Yang Yingping
( Ocean Wind Power Technology and Detection State Key Laboratory, Xiangtan Electric Manufacturing Corporation Ltd.,Xiangtan 411101, Hunan, China )

Taking the megawatt doubly fed wind power generator for example, this paper studies the influence of type structure of stator and rotor on motor, and considers comprehensively to choose the best slot type structure. In addition, the paper is carried out to reduce motor tooth harmonic according to the research adopts a skewed stator slot of structure. Some measurements are taken for material selection of motor parts and reduction of the slip ring current and frequency converter capacity. Simulation and experimental verification of the optimized motor results show that the motor electromagnetic after optimization comply with the design requirements, and the optimized motor has certain advantages in the heat dissipation.

doubly-fed wind power generator, slot type structure, harmonic ratio, electromagnetic analysis

TM315

A

1003-4862（2017）10-0035-06

2017-01-18

欧阳永峰（1983-），男，工程师。研究方向：电机设计。E-mail: ouyang65987331@126.com