3.6MW永磁半直驱风力发电机抗去磁特性研究

曾 聪

3.6MW永磁半直驱风力发电机抗去磁特性研究

曾 聪

（中国轻工业长沙工程有限公司，长沙 410114）

本文以某3.6 MW永磁半直驱风力发电机作为研究对象，基于有限元法对两相及三相短路故障状态下半直驱风力发电机的短路电流进行了仿真模拟。以故障状态下风机去磁电流的最大值作为参考基准，并基于相同的去磁电流作用，比较永磁电机中两款不同属性的永磁材料的抗去磁特性。最终讨论永磁体材料属性对电机抗去磁性能的影响。

半直驱风力发电机 故障仿真 短路电流 抗去磁能力

0 引言

风力发电作为可再生能源中最具有商业化和产业化发展前景的新能源，近年来在我国得到了迅速的发展[1]。兆瓦级永磁发电机作为永磁风力发电机组中的重要核心部件，由于发电机结构尺寸大，因此和传统发电机具有很大的区别，同时并网运行时在电网故障下永磁电机会遇到永磁体失磁等现象，因而如何合理的校核永磁体的抗去磁能力，对于防止永磁风力发电机的失磁具有非常重要的意义[2～3]。本文针对以上这些问题，以一台3.6MW半直驱风力发电机作为研究对象，仿真了电网故障状态下永磁风力发电机的短路电流和退磁现象，并研究了永磁材料属性对电机故障状态下抗去磁特性的影响。

1 3.6 MW永磁半直驱风力发电机模型

1.1 3.6 MW永磁半直驱风力发电机主要设计参数

3.6MW半直驱风力发电机采用外转子内定子的结构形式，3.6MW永磁风力发电机的主要电磁设计参数如表1所示。

稀土材料的价格高昂，单位输出功率所需永磁体体积通常是衡量电机设计优劣的重要指标之一，发电机的电磁功率P由下式决定：

式中：为功角，1为定子测电压，E为空载感应电动势，X为发电机定子电抗。

永磁体体积与永磁材料的最大磁能积和磁能利用系数有关，最大磁能积越大，体积越小，磁能利用系数越大，体积越小，利用情况越小。

表1 3.6MW永磁半直驱风力发电机主要电气参数

1.2 3.6 MW永磁半直驱风力发电机模型

永磁电机采用双层绕组，定子和转子铁芯上开有槽口，永磁体为表贴式放置，基于电机仿真软件RMxprt对发电机搭建的仿真模型如图1。

图1 发电机二维仿真模型

由于永磁风力发电机的结构十分复杂，其中需要考虑的因素很多，为了简化模型和分析，在电磁场的仿真和计算中假设：

1）不考虑材料的各相异性，认为材料是各相同性的；

2）不考虑材料随温度变化的磁阻率；

3）认为电机中的磁场沿着圆周分布，轴向长度可以考虑设置成为不变的定值。

电机电磁场一般不考虑位移电流的影响，属于似稳场。电机中分析得最多得是垂直于电机轴的平行平面场，这时电流密度和磁矢位只有z轴方向上的分量，对于稳态情况，平面场上的电磁场问题可以表示成为边界值的问题:

基于maxwell电磁仿真软件对电机稳态运行状态进行求解，仿真基于二位瞬态电磁场求解器求解，采用经典网格剖分，三相电压设置为电压源激励，电压源的初始相位分别为：Va=579.696 x sin(2ix58.2t-68.1491i/180)，Vb=579.696 x sin(2ix58.2t-68.1491i/180-2*Pi/3)，Vc=587.861 x sin(2ix58.2t-68.1491i/180-4*Pi/3)，此时仿真得到的三相电流如图2所示，从仿真结果和额定参数的对比中可以看出验证该模型和电磁场求解的准确性。

图2 发电机稳态电流仿真结果

2 故障状态下风力发电机抗去磁特性

2.1 永磁体抗去磁特性

退磁曲线所表示的是磁通密度与磁场强度之间的关系，只有在磁场强度单方面变化时才存在，实际上永磁电机在运行时受到的退磁磁场强度是反复变化的。退磁曲线是和回复曲线是永磁材料对外呈现的磁感应强度和磁场强度之间的关系，还需要另一种表征永磁体内在性能的曲线，在均匀的磁性材料中，磁性材料在外磁场作用下被磁化后大大加强了磁场。这时磁感应强度含有两个分量，一部分是与真空中一样的分量μH，另一部分是由磁性材料磁化后产生的分量μM。磁感应强度和磁场强度的关系为：

式中：为磁感应强度，μ为真空磁导率，为磁化强度，为磁场强度。

磁稳定性表示在外磁场干扰下永磁材料磁性能变化的大小，内禀退磁上的磁极化强度为零时，相应的磁场强度值称为内禀矫顽力，其数值为H，H的磁稳定性越高，抗外磁场干扰能力越强。当H大的值反应材料的抗去磁能力的大小。理论和实践证明，一种永磁材料的内禀矫顽力越大，则这种材料于某值时，退磁曲线全部变为直线，而且回复线与退磁曲线重合，在外施退磁磁场强度的作用下，永磁体的工作点在回复线上来回变化，不会造成不可逆退磁。为了验证电机故障状态下永磁体内禀矫顽力对抗退磁特性的影响，现有两种型号的永磁体材料1号和2号，由于其内禀矫顽力不同，因此其抗去磁能力也不相同。本文中3.6MW半直驱风力发电机采用的1号和2号永磁材料的退磁参数如表2所示，其中两种永磁体的内禀矫顽力在数值上相差3.6%。

2.2 外电路仿真模型

永磁风力发电机在受到突然短路冲击时，永磁体的工作点会降低，当工作点低于永磁体拐点时会产生不可逆退磁，最终导致永磁风力发电机的失效。在风电机组实际并网运行的过程中，风力发电机突然短路的暂态过程要比恒定电压源电路复杂的多，所产生的冲击电流可能达到额定电流的很多倍，对电机以及整个电气系统的冲击都将产生严重的影响，并对永磁体局部产生不可逆的退磁影响，同时永磁电机中永磁体出现局部失磁问题，需要借助电磁场数值计算才能准确的进行分析。

表2 1号和2号永磁材料性能参数

二维短路仿真时所使用的外电路如图3所示，其中A相、B相和C相绕组分别由相应的开关控制，当电流值达到稳定后对开关进行动作从而实现两相和三相的短路仿真。

2.3 电网故障仿真

基于二维模型对电机进行两相短路电流仿真计算，设置电机运行温度为120°C，设置在0.3s时对电机A相和B相同时短路，得到的电机两相短路时的电流突变峰值如图4所示，设置0.3s时电机短路。永磁风力发电机在突然短路故障下产生的短路电流比额定运行状态下的电流会大出很多，此时的电流只有直轴电流，产生的退磁磁势将全部作用在磁钢上，如果磁钢的抗去磁能力不足以抵抗此时的去磁作用，此时永磁体将出现严重的失磁。退磁仿真如图5所示，可以从中看到稳定时两相短路电流峰值为5.1209kV，稳定时三相短路电流峰值为5.8851kV。

电机在运行在某一特定功角θ时发电机定子电流分量为：

式中：I为轴去磁电流，I为轴电流。

此时定子电枢电流为：

在三相短路状态达到稳定时，其电流峰值为5.8851kV，此时将三相短路电流的5.8851kV全部设置为轴去磁电流，设置电机运行温度为120°C。永磁体剩磁为11.96kGs，矫顽力为7.179kOe，从图7中看出此时所加电流全部为轴去磁电流，基于三维模型仿真得到的磁钢密度分布如图8所示，从结果中可以看出磁钢中部磁密最低，退磁的局部发生位置主要从磁钢两端开始。

图4 电机两相短路仿真

图5 电机三相短路仿真

图7 电机短路去磁电流

图8 电机承受短路退磁电流时磁钢磁密分布

为了分析永磁材料属性对磁钢抗去磁性能的影响，对1号永磁材料和2号永磁材料进行退磁对比分析。由于短路状态下的没有轴电流，所以在仿真分析时所加的电流全部为轴退磁电流，考虑退磁电流从最小值到最大值变化的过程中，即退磁电流峰值从1kV-8kV变化时磁钢整体的磁密分布和性能变化如图9和图10中所示。

图9 不同去磁电流下两款磁钢平均磁密对比图

从图9和10对比分析可得，1号和2号两种磁钢抗退磁能力基本相同，由于两款磁钢拐点均在0.3T左右，磁钢在去磁电流峰值达到3500A时局部最低开始小于0.3T，此时局部开始失磁，在去磁电流峰值达到6000A时磁钢内的磁场开始反向。其中1号磁钢拐点为0.311T，2号磁钢拐点为0.3T，此时1号磁钢最低磁密到达拐点处时的去磁电流峰值为3592.76A，2号磁钢最低磁密到达拐点处时的去磁电流峰值为3590A，两者误差0.07%。

图10 不同去磁电流下两款磁钢内最低磁密对比图

3 结论

本文通过对3.6MW永磁直驱风力发电机进行电磁场有限元仿真，以电机典型两相和三相短路故障状态下的风机去磁电流最大值作为分析上限，对比分析了两款不同参数的磁钢在不同退磁电流作用下的抗去磁性能，对比分析了磁钢不同参数对抗去磁性能的影响，同时得到以下结论：

1）按最低磁密计算，1号磁钢拐点处（0.311T）对应的去磁电流为3592.76A，2号磁钢拐点处（0.3T）对应的去磁电流为3590A，以能承受的最大去磁电流作为抗去磁能力衡量标准，两款磁钢的抗去磁能力相差不大。

2）按平均磁密计算，1号磁钢拐点处（0.311T）对应的去磁电流为4000A，2号磁钢拐点处（0.3T）对应的去磁电流为4107.9A，以能承受的最大去磁电流作为抗去磁能力衡量标准，1号磁钢比2号磁钢的抗去磁能力降低2.69%。

通过对比分析可知，使用性能更高的永磁体在电机故障状态下的抗去磁能力上更有优势。

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Study on Anti-demagnetization Characteristics of 3.6MW Semi-Direct Drive Permanent Magnet Wind Generator

Zeng Cong

（China Light Industry Changsha Engineering Co., Ltd., Changsha 410114, China）

TM343

A

1003-4862（2021）07-0018-05

2021-05-24

曾聪(1981-)，硕士，高级工程师。研究方向：电气工程及其自动化。E-mail: zengcong@cecchina.com