基于场路耦合的双馈感应发电机设计与分析.pdf

第 卷 年第 期 月.基于场路耦合的双馈感应发电机设计与分析崔 皓 朱铭锴(西安中车永电捷力风能有限公司 风电产品开发部 西安)摘 要:随着风力发电行业的迅速发展 国内风电市场竞争越来越激烈 风电设计成本压力也日趋严重 为进一步优化机组配置 降低机组成本 同时以高端产品的形象打入国际市场 对风电机组零部件设计准确度以及与机组其它部件的匹配性设计尤为关键 作为风电机组中关键部件的发电机 纯粹的经典解析计算方法已无法满足设计要求 采用解析法对电机定、转子端部电感及绕组集肤效应进行计算 结合 软件进行场路耦合建模 基于所建模型 对一台 双馈感应发电机进行 特性曲线仿真计算 得到电机在不同电压及无功功率下的电磁参数 通过磁负荷参数与设计推荐数据的对比 证明设计方案的合理性及可行性 仿真结果的电参数与试验数据有很好的一致性 平均仿真偏差在 左右 证明了场路耦合模型的准确性以及方法的可用性 为双馈感应发电机的精确设计及双馈风力发电机组的控制设计提供了理论指导关键词:双馈感应发电机 场路耦合 有限元法 特性 中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:作者简介:崔 皓()男 学士学位 高级工程师 研究方向为风力发电机研发及设计朱铭锴()男 硕士学位 工程师 研究方向为风力发电机研发及设计 期崔 皓等:基于场路耦合的双馈感应发电机设计与分析 引 言推动实现碳达峰、碳中和已成为全球共识 截至 年 有 多个国家实现碳达峰 超过 个国家及地区做出了碳中和承诺 为了如期实现双碳目标 我国碳达峰、碳中和顶层设计逐步完善推进思路逐步清晰 能源领域是实现碳达峰、碳中和的主战场 风力发电作为新能源的代表之一 正在致力于从能源绿色低碳转型的生力军成长为碳达峰、碳中和的主力军基于双馈感应电机的风电机组凭借其成本低、效率及可靠性高等优势成为了风电机组制造商主推的技术方案之一 作为风电机组的核心部分 该电机也被称作绕线式转子感应电机 它的很多特性与现在广泛使用的笼型感应电机类似 然而 随着电力电子技术的迅速发展 以及风电行业的成本压力不断提升 传统的电机设计及计算方式 其经验参数已无法满足现在的风电市场对电磁参数准确性的要求 因此 有必要在电机的性能分析计算中引入场路耦合 取代传统的经验参数计算 提高分析计算的准确性 场路耦合分析模型设计 电路模型 电路模型的解析计算双馈感应发电机拥有两套独立的三相绕组 一套在电机定子上 另一套在电机转子上 这两套绕组都需要独立供电 而且两套绕组与其供电电源之间的能量都是可以双向流通的 同时这两套独立绕组之间又通过气隙磁场相互联系 定、转子绕组既可以构成星形连接 也可以构成三角形连接考虑到计算资源及计算时间的原因 通常采取 有限元模型进行计算 在 仿真分析过程中无法考虑电机绕组端部对电机性能的影响 因此在对电机进行场路耦合时 对绕组端部和直线部分进行分别考虑 在电路模型中等效端部绕组的电感参数 同时 负载特性仿真属于瞬态场()计算 绕组采用多匝结构 每相绕组电阻值需要在电路模型中给定为了得到发电机精确的负载特性 在电路模型中的整体绕组电阻需要考虑集肤效应的影响 采用交流电阻值作为计算电阻值绕组端部漏感计算公式为()()式中 为电机极对数 为每相绕组串联匝数 为空气磁导率 为从铁心端部测量的端部绕组的轴向长度 为绕组跨距(柱形三相菱形绕组取 )和(柱形三相菱形绕组取 )为相应的比漏磁导单相绕组直流电阻计算公式为()式中 为导体电阻率 为线圈平均半匝长 为并联支路数 为线圈单匝导体截面积导体中的交变电流以及相邻导体中的电流会在导体材料中产生交变磁通 这会导致集肤效应和邻近效应 在双馈感应电机中 发电机运行时转差远大于普通笼型电机 同时转子的导体截面比较大因此要精确计算电机的运行参数 绕组的集肤效应和邻近效应不可忽略在本文中 将导体集肤效应与邻近效应统称为集肤效应进行计算 则集肤效应产生的电阻系数计算公式为 ()式中 为槽内电阻系数 为端部电阻系数为有效铁长 为绕组平均半匝长槽内电阻系数计算公式为()式中 为高度方向串联导体数 函数 和 为 ()()式中 为折算导体高度折算导体高度的计算公式为 ()式中 为计算导体高度(未进行换位的绕组 计算导体高度 高度方向并绕根数 实际单导体高度)为频率 为槽宽方向串联导体数 为导体宽度 为线圈槽宽度对于绕组端部 通常可以忽略其集肤效应 端部电阻系数计算公式为 ()单相绕组交流电阻计算公式为()卷 电路模型的创建 是功能强大的多领域机电系统设计与仿真分析软件 用于电气、电磁、电力电子、控制等机电一体化系统的建模、设计、仿真分析和优化 软件提供的跨学科多领域高性能系统仿真平台 能够轻松实现多物理模型之间的无缝链接本文采用 软件进行电路搭建及机械输入输出部分的搭建 具体耦合电路模型如图 所示图 双馈感应发电机负载特性场路耦合模型图 中 主 要 包 含 、及 个区域模块 模块中不仅包含了 电磁分析耦合模块还包含绕组端部电感、绕组交流电阻、机械输入及输出元器件正如前文所述 双馈感应发电机拥有两套独立的三相绕组 因此 模块中包含有定子电网三相交流电压源以及转子三相交流励磁电流源对于绕组激励为交流电压源的瞬态模拟 尤其是对于具有大时间常数的设备 直流磁链分量可能需要很长时间衰减 因此 前半个循环周期中添加一个额外的电压分量()可快速消除直流磁链 从而缩短求解所需时间在双馈风力发电机的实际运行过程中 转子是由双向变流器供电的 且目前 以下的变流器通常为两电平电压源型变流器 当发电机并网时定子磁链定向 可通过 轴电流与 轴电流分别控制有功功率和无功功率 根据目标功率可计算出转子目标电流指令值 然后用控制环路确保实际电流精确跟踪指令值 具体表达式如下:()()式中 为定子有功功率 为定子无功功率 为电网电压 为电机励磁电感 为定子电角速度 为电机转子 轴电流 为电机转子 轴电流双馈电机变流器的机侧通常为一个三相逆变器调节的是转子电压而不是电流 但为了保证实际电流精确跟踪计算的指令值 控制环须被整合以确保电流有效跟踪指令值 在同步坐标系中计算出转子参考电压 其中转子端电压与电流存在以下关系:()()式中 为转子 轴端电压 为转子 轴端电压为转子电阻 为转子电角速度 为转子 轴磁链 为转子 轴磁链因电压与电流存在上述关系 故在场路耦合仿真过程中 为了节省计算资源 提升计算效率 通常将转子电源设置为电流源 但电流源的具体参数通过引入变流器机侧()的 逆变电路 获取三相电流并将其传递到双馈发电机转子进行仿真计算 场算模型 是一款功能十分强大的电磁、信号完整性、热和机电仿真软件 它可以最大限度地降低测试成本、确保合规性、提高可靠性以及大幅缩短产品开发时间 提供了行业黄金标准模拟器 可进行完整的产品模拟 模块是此软件中的低频电磁仿真模块 从电机 变压器继电器 电磁加热到简单的线圈吸引都可在此模块 期崔 皓等:基于场路耦合的双馈感应发电机设计与分析中仿真本文中的场计算器选用 中的 模块 为了适应各种不同槽型结构及通风孔形式使仿真结果尽量接近实际 仿真模型采用 图纸导入的创建方式 根据电机实际情况 导入全模型后对模型进行切割处理 最终计算只留 个极下的模型(如图 所示)以提升计算速度 同时根据定、转子接线原理图对所有绕组进行分相 并将激励模式设置为外电路模式图 有限元模型虽然软件的材料库中包含有各国的常用材料但是为了计算的准确性 本文中所选的硅钢片 曲线及 曲线数据统一使用所选材料的实测数据 另外 硅钢片的材料设置中 需要依据模型中输入的有效铁心长度、实际铁心长度以及物理叠压系数 对层压结构硅钢片进行叠压系数设置 对设置为实体的硅钢片 曲线数据要乘以叠压系数有效铁心长度计算公式为 ()式中 为铁心的实际长度(包含径向通风道)为径向通风道数量 为通风道折算宽度 为电机气隙长度通风道折算宽度计算公式为()式中 为铁心长度估算卡特系数 为径向通风道实际宽度在有径向通风道的电机结构设计中 通常包含转子表面光滑设计、定转子径向通风道对齐设计及定转子径向通风道错位设计三种形式 本文中仅对定转子径向通风道对齐设计进行计算铁心长度估算卡特系数的计算公式为 ()有限元分析模型中 硅钢片的叠压系数并非通常所描述的铁心物理叠压系数 它与铁心的有效长度、物理叠压系数及通风道的宽度与数量有关硅钢片的叠压系数计算公式为()式中 为不包含通风道的铁心长度 为有效铁心长度 为铁心的物理叠压系数有限元分析模型中 在磁场变化大的位置 网格的剖分质量对计算结果的精度影响较大 在电机分析模型中 要求气隙网格的剖分不得少于 层本文中的气隙网格共剖分了 层 其余部分均匀划分即可 具体如图 所示图 有限元模型网格剖分 仿真结果与分析本文依据上述场路耦合的分析计算方法 对一款 双馈感应发电机进行负载特性分析计算电机的主要参数为:额定有功功率 额定无功功率 定子额定电压 额定转速/极数 极 额定工况下磁力线和磁密云图分布图、图 为双馈感应发电机在额定工况下的磁力线分布云图和磁密分布云图图 磁力线分布云图 卷图 磁密分布云图由磁力线分布云图可以看出 对于定子侧磁力线来说 基本上全部通过定子齿部定子轭部定子齿部气隙转子齿部转子轭部转子齿部气隙定子齿部 形成一个闭合回路 但是在转子侧 通过转子槽闭合的磁力线相对较多 因此可以看出 像这种深槽窄槽的转子结构 转子槽漏磁通对电机性能影响较大 同时 想要得到精确结果槽内导体的集肤效应必须予以考虑 额定工况下的磁负荷图 为额定工况下在分析截面上的气隙磁密波形及 分解图 根据 分解结果可知 在额定工况下的气隙磁密基波幅值为 符合全封闭异步电机气隙磁密 的经验推荐值 图、图 分别为定、转子齿磁密和定、转子轭磁密波形图 由图可知 此电机的各部磁密取值均在经验值推荐范围之内 设计方案合理 具体磁密值及推荐值如表 所示图 气隙磁密 分解图 定、转子齿磁密图 定、转子轭磁密波形图表 磁密计算值及推荐值气隙磁密/定子齿磁密/定子轭磁密/转子齿磁密/转子轭磁密/计算值 推荐值 额定工况下的电负荷在场路耦合分析中 大部分的电参数如发电机总功率、定子有功功率、转子有功功率、定子电流、转子电流、定子电压及转子电压等 可直接由测量模块中的仪表读出 图 图 分别是发电机在额 期崔 皓等:基于场路耦合的双馈感应发电机设计与分析定运行工况下的有功功率与无功功率、定子电流、定子电压、转子电流的稳态运行波形图及 分解图 额定工况有功功率与无功功率图 额定工况定子电流图 额定工况定子电流 图 额定工况定子电压图 额定工况转子电流图 额定工况转子电流 仿真电路中电压源为星接电压源 相电压与 线电压相差 相位角 且幅值相差 倍 因此定子无功功率如图 中所示 通过接入 、三个功率表后求和得到 为了计算发电机效率 通过场计算模块可获得发电机的铁损(其中已包含铁心的各类附加损耗)同时在场路结合的计算模型中 通过定、转子内阻上的电流与压降即可求得发电机瞬时铜耗 求和后得到发电机的总铜耗(此铜耗已包含谐波及集肤效应引起的部分铜耗)发电机风摩耗通常采用经验公式求得 本发电机估算风摩耗为 各损耗瞬时波形如图 所示图 损耗波形 卷通过 中的 对仿真结果中的定、转子电流进行 分解 通过分解结果显示 因转子电流为变流器供电 其主要谐波分布在开关频率 及其倍频附近 定子电流谐波除了、次谐波及转子齿谐波外 变流器开关频率及其倍频谐波也最为突出 通过表 的数据可以看出 试验值与仿真值较为吻合表 电流 参数表定子电流谐波畸变率/转子电流谐波畸变率/波励磁 试验值 针对发电机效率的仿真计算与试验数据进行对比(如表)其中仿真中的损耗如前所述 已经完全考虑了铁心的附加损耗和铜耗中的谐波与集肤效应的影响 因此将不再单独考虑附加损耗 试验中采用扭矩仪进行效率的直接测量法和损耗分析法同时进行计算对比 可以看出结果非常接近表 损耗及效率数据表铁耗/定子铜耗/转子铜耗/风摩耗/附加损耗/效率/仿真计算值 /损耗分析法试验值 直接法测量值/特性参数计算与试验验证根据双馈感应发电机等效电路图的理论分析在转子电流有效值不变的情况下 通过调整转子电流与定子电压之间的相位关系 定子输出的有功功率与无功功率将发生变化 定子 输出与转子电流数值区间如图 所示 对于双馈感应发电机额定工作区间 需要满足两个约束条件:定子视在功率处于额定范围内 即 转子电流不 得 超 出 限 值 在 图 中 以 为 圆 心、()为半径的圆在曲面 上投影得到曲线 由转子电流限值确定的垂直平面 与曲面 相交所得曲线 在设计双馈发电机组时 与之间的距离直接反映了电机容量与转子侧变流器容量的匹配性 如果 位于 前端 代表变流器容量过小 无法满足发电机额定容量运行 反之则代表变流器容量存在冗余设计 与 的共有部分 为双馈风电机组变频器和电机运行的安全区域图 定子 与转子电流数值区间 作为双馈发电机组的关键部件 发电机与变频器对温升都非常敏感 尤其是大功率的电力电子产品本身具有较高的发热量 极限工况下往往由于温度过高而不得不停机 因此在设计过程中 精确计算出发电机的特性参数 对发电机及变流器的热设计都至关重要 表 为运用本文方法计算的发电机 特性参数 图 为不同定子电压下 定子 所对应的转子电流值表 特性参数表定子电压/总功率/定子无功/定子电流/转子电流/转子电流偏差经典计算场路耦合试验经典计算场路耦合试验经典计算场路耦合试验经典计算场路耦合试验经典计算场路耦合 (下转第 页)卷 .:.:.刘军 汪全虎 陈敏祥.基于滑模变结构 的 速度辨识.轻工机械 ():.吴永前 李玉忍.扩展 滤波在永磁同步电机无速度传感器调速系统中的应用.电气传动自动化():.刘慧博 黄前柱.基于模型预测控制的永磁同步电机参数辨识.微电机 ():.何克胜 王英.永磁同步电机分数阶滑模观测器的设计.微电机 ():.杨城健 李白雅 王锦涛 等.基于分数阶滑模转速控制器的永磁同步电机矢量控制.湖南科技大学学报(自然科学版)():.陈景文 王培瑞 李英春.基于改进高频注入法的 转速检测方法.陕西科技大学学报 ():.杨泽斌 樊荣 孙晓东 等.基于 的无轴承异步电机无速度传感器控制.仪器仪表学报 ():.王庆龙 张崇巍 张兴.交流电机无速度传感器矢量控制系统变结构模型参考自适应转速辨识.中国电机工程学报():.张洪帅 王平 韩邦成.基于模糊 模型参考自适应的高速永磁同步电机转子位置检测.中国电机工程学报 ():.宋搏洋.基于 算法的永磁同步电动机无传感器自适应预测控制.电气开关 ():.(上接第 页)图 不同定子电压下的转子电流 由表 中数据可以看出 相同工况下 场路耦合仿真分析的结果 精度远高于经典计算解析求解所得的结果 尤其是转子电流仿真值 与试验结果非常吻合 结 论本文结合解析计算 利用 软件建立了双馈感应发电机的场路耦合模型 并对一台 双馈感应发电机进行了 特性参数的场路耦合仿真计算 对仿真结果、经典计算结果以及试验结果进行了对比 验证了场路耦合算法的正确性以及计算的高精确性 基于此设计和分析方法 可以对双馈感应发电机的各种复杂工况进行仿真计算 为双馈风力发电机组的匹配设计提供了理论依据参考文献 美.电机学.版.刘新正等 译.北京:电子工业出版社.芬兰 等.旋转电机设计.版.柴凤等译.北京:机械工业出版社.骆皓 林明耀 侯立军.双馈风力发电机交流励磁控制技术.南京:东南大学出版社.汤蕴璆 王成元.交流电机动态分析.版.北京:机械工业出版社.西班牙 等.双馈感应电机在风力发电中的建模与 控 制 .胡 家 兵 等 译.北 京:机 械 工 业 出 版社.张新燕 王维庆 何山.风电并网运行与维护.北京:机械工业出版社.赵鲁.基于 场路耦合多物理域联合仿真.北京:中国水利水电出版社.