带阻尼绕组的凸极式永磁风力发电机短路瞬态特性研究_郭玉敬.pdf

.大 电 机 技 术带阻尼绕组的凸极式永磁风力发电机短路瞬态特性研究郭玉敬，吉雅雯，车三宏，金 平，赵 震，邓方林，杨 晔（.河海大学，南京；.江苏中车电机有限公司，江苏 盐城）摘 要 短路故障瞬态特性的研究对永磁风力发电机的安全稳定运行具有重要意义。本文以带阻尼绕组的凸极式永磁风力发电机（，）为研究对象，对发电机短路时的瞬态特性进行研究。首先设计了一种带阻尼绕组的 磁极结构，利用 软件建立 的有限元模型，然后联合 建立其短路故障下的场路耦合计算模型，最后对不同短路故障进行仿真计算，对电机瞬态参数及阻尼绕组对短路特性的影响展开了分析。结果表明，阻尼绕组对抑制 的短路电流及永磁体退磁起到了重要作用。关键词 风力发电机；短路故障；场路耦合；阻尼绕组中图分类号 文献标志码 文章编号（），（，；，）：，（），：；前言永磁发电机常见的故障有短路故障、转子断条或偏心、三相电流不平衡等，其中，短路故障是造成永磁同步发电机严重损害的故障之一。永磁同步发电机一旦出现定子绕组短路，绕组的绝缘必然会受到损害，继而出现短路电流引起绕组温度升高，若长期处于这种运行状态下会使电机线圈受到损害。电机定子绕组短路故障严重时会引起电力系统的崩溃，造成经济损失甚至危害工作人员的人身安全，因此研究发电机的短路故障对电力系统的安全运行具有重要意义。场路耦合法因为其既考虑到发电机的实际结构，又考虑到非线性因素的影响，提高了仿真精度，在电机短路故障研究中得到了广泛应用。学者 建立了同步发电机的场路耦合仿真模型，计算了瞬态电抗与瞬态时间常数，为采用场路耦合法分析绕组短路问题提供了研究基础。学者孙宇光、王祥珩等在 年针对凸极同步发电机，建立了场路耦合模型，计算了单机空载条件下机端突然三相短路时，定子各相电流和励磁电流的瞬态波形。叶志军等基于场路耦合法建立了隐极同步发电机短路故障模型，研究了匝数和短路位置等因素对短路电流的影响。文献对一台 凸极发电机定子绕组带阻尼绕组的凸极式永磁风力发电机短路瞬态特性研究.的短路特性进行了分析。文献中的电机定子绕组单相接地故障仿真结果表明，场路耦合模型比多回路模型精度高。文献利用 与 建立耦合模型对永磁同步电机进行研究，得到了电机转速、转矩、电流等动态特性。文献和基于场路耦合法对发电机匝间短路故障进行了仿真计算，分析了短路对发电机内部磁场等特征量的影响及变化规律，最后在实际电机上进行了验证。文献采用场路耦合法对短路试验发电机的运行工况进行了连续仿真，并获得了电机的磁场分布。文献 在 中建立了永磁同步电机模型，并仿真得到了在正常及 相定子绕组匝间短路、短路 时电机内部的电磁场分布及相关性能曲线。阻尼绕组在发电机短路时起着重要的保护作用，文献得出了阻尼绕组会改变暂态磁通磁路、减少短路电流、加速能量衰减的结论。文献基于三相同步电机将阻尼绕组与绕组函数法结合进行定子故障的仿真。文献 以 无刷同步发电机为例，通过对比分析得到了突然短路下的最优绕组设计方案。文献设计了一种基于相量测量装置的广域阻尼控制器，该阻尼控制器可以抑制发电机的局部振荡。文献为了改善并网风电系统在故障工况下的稳定性，提出了利用静态同步串联补偿器与阻尼控制器相结合的方法。文献设计了一种具有阻尼能力的保护层，采用有限元方法对一台 同步发电机在不同短路条件下进行建模和仿真，验证了所提保护层的阻尼特性。文献对同步发电机在不对称运行时产生的阻尼条电流进行了分析，并在样机上对结果进行验证。阻尼绕组的应用可以有效保护永磁电机的运行安全，特别是突然短路状态下，但目前对阻尼绕组在永磁电机中的应用研究较少。本文提出了一种带阻尼绕组的 磁极结构，并对带有该磁极结构的永磁风力发电机短路状态进行研究。利用 建立永磁发电机的有限元模型，在 中建立外电路，与发电机有限元模型耦合，得到 的场路耦合模型。基于该模型，对不带阻尼绕组与带阻尼绕组的 在单相、两相、三相短路三种故障情况下的瞬态参数进行仿真计算，分析阻尼绕组对永磁发电机短路瞬态特性的影响。阻尼绕组的设计本文中所研究的 是一种永磁内置式凸极永磁电机。凸极式永磁电机的永磁体在转子凸极内部，如图 所示，这种结构能将永磁体与外界隔离开来，避免了外界环境变化或者杂质对永磁体的腐蚀侵害影响，对永磁体的退磁也有一定的抑制作用，进而对发电机的安全稳定运行提供了保障。发电机在运行时会正常发热，凸极式结构形成的通风沟会给电机内部进行有效降温，从而降低发电机因发热而产生故障的概率。图 凸极式永磁发电机磁极结构本文所采用的凸极式永磁发电机的基本参数见表，包括定、转子铁芯，定、转子槽，定子绕组尺寸等。表 凸极式永磁发电机的额定参数及尺寸参数数值参数数值额定功率 额定电流 额定容量 额定电压 额定效率 额定转速（）定子外径 转子轭内径 定子内径 转子轭外径 铁芯总长 最大气隙.极对数最小气隙 槽数永磁体宽 槽宽.永磁体厚 槽深 极靴宽 极靴半径.极靴高 阻尼条节距对发电机空载电压波形和阻尼绕组的附加损耗有很大的影响，因此在设计中首先需要计算阻尼条节距，在选择时应尽量减小一阶齿谐波的幅值。电机槽数 ，相数 ，极对数 ，其每极每相槽数 ，对于整数槽或每极每相槽数为 的分数槽以及 .大 电 机 技 术的分数槽，应避免阻尼条节距等于定子齿距。本文采用的模型 ，即 ，满足 ，则阻尼条节距 应按式（）与（）选取：（）（）（）式中，为定子齿距，；为阻尼条根数；为整数（，）；为每极每相槽数。本文所采用的发电机模型的齿距.。发电机的阻尼条直径 按下式计算：.（）其中每根阻尼条截面为：（）式中，为经验系数，取.；为每槽的导体数；为每匝导体或线棒的截面积，。根据发电机的基本参数，可知 .，则每根阻尼条截面.，从而可得阻尼条直径.。综合考虑电机的短路特性与经济性，选择阻尼条根数为，取，通过公式（）和（）可得，阻尼条节距.。永磁发电机的每个转子极上沿边缘均匀排列了 根阻尼条，设计了如图 所示的阻尼条模型。图 凸极式永磁发电机阻尼条模型 基于 的 场路耦合模型.基本假设及数学模型由于电机内结构与材料特性复杂，介质属性存在较大差异，同时还需要考虑转子运动、齿槽效应对磁场的影响，因此传统的电磁场解析法难以处理大型电机磁场的复杂性和特殊性问题。随着数值求解方法的引入和发展，有限元法在近年来成为了解决复杂环境下电机电磁场分析问题的首选。采用有限元法求解发电机电磁场问题时，需要先给出一定的假设和约定：（）假设发电机内的电磁场为似稳场，不计位移电流的影响；（）发电机磁场沿轴向保持不变，可将其作为二维平面电磁场来进行处理；（）发电机定子铁芯外部没有漏磁，转轴为不导磁材料；（）发电机的转子转速恒定不变，大小为同步转速。麦克斯韦方程从数学角度描述了变化的磁场与变化的电场相互作用的物理本质，其微分形式可表示为：（）（）（）（）式中，表示磁场强度；表示磁感应强度；表示电场强度；表示电位移；表示电流密度；表示电荷密度。上述 个方程包含了 个独立的函数，想要求解出这个方程组的解，需要考虑媒介的材料特性。因此，还要给出三个描述电磁性能关系的补充方程：（）（）（）式中，为材料的介电常数；为磁导率；为电导率。若求解域是线性媒介，则这些系数都为常数；反之，若求解域是非线性媒介或各向异性媒介，则它们都是变数。在 坐标系中，考虑电机突然短路的瞬态过程，永磁同步电机的电压方程可表示为：（）式中，为每相绕组的瞬时电压；为绕组的相电阻；为绕组的相电流；为绕组的瞬时磁通，即：（）（）式中，是考虑阻尼绕组作用的绕组瞬态电感；（）是转子永磁体磁场在定子绕组中的磁通量；是转子永磁体的磁通；（）是系数，它与实际的几何角度有关。带阻尼绕组的凸极式永磁风力发电机短路瞬态特性研究.的有限元模型本文采用了基于二维电磁场模型的有限元计算方法。根据本文研究电机的结构特点与电磁场分布的周期性特点，选取整个电机区域作为电磁场求解区域。根据样机尺寸（见表）、槽型、槽数等参数绘制出样机的二维几何模型，如图 所示。永磁发电机样机共有 个定子槽，槽内布置集中整距的双层定子叠绕组，转子采用凸极结构，一共 对极，转速为。图 永磁风力发电机二维几何模型基于前文对阻尼绕组的设计，在已有的发电机模型的每个转子极上设置了 根阻尼条，选择铜作为阻尼条的材料，然后将所有阻尼条的端环连接在一起，即完成了带有阻尼条的永磁发电机的模型建立，如图 所示。图 带阻尼绕组的发电机模型.场路耦合仿真模型的建立将永磁发电机有限元模型导入 中，建立带阻尼绕组的 的场路耦合模型，如图 所示。永磁发电机场路耦合模型主要包括两部分：永磁同步发电机本体与 外电路。图 中，、分别为电机 三相绕组的电阻，、为发电机三相绕组端部的相漏感。当电机绕组选择“”时，各相电感与电阻无法设置，相电阻与定子绕组端部漏感在有限元模型中未能得到考虑，因此只能在电路中体现。给发电机设置额定转速，使其定子绕组出线端中性点接地，便完成了永磁发电机的场路耦合仿真模型的建立。图 永磁风力发电机的场路耦合模型图 所示为在建立好的不带阻尼绕组永磁发电机场路耦合仿真模型下，发电机额定工况的三相电流波形图。由于连接了不可控整流桥，电流中存在一定含量的谐波，但定子电流整体呈三相对称的正弦波，且幅值与设定时的额定电流幅值基本相符。各电气量基本满足所建模型要求，说明该永磁发电机场路耦合模型符合基本准确性要求。图 发电机额定工况下的三相电流 短路故障分析本文主要针对 的短路故障情况进行建模计算与分析，根据前文已建立的不带阻尼绕组与带阻尼绕组的永磁风力发电机场路耦合模型，选取单相接地短路故障、两相短路和三相短路故障三种典型的故障情况，研究电机的瞬态特性并进行分析。.单相短路故障分析在建立好的场路耦合模型基础上，在 相设置一个开关与大地相连，形成有一个控制开关的脉冲电路，即得到 的单相接地故障场路耦合模型，如图 所示。设置当 正常运行至 时，脉冲电路所控制开关 闭合，仿真模型出现定子绕组单相.大 电 机 技 术（相）接地短路故障。对 中场路耦合仿真模型进行单相接地故障瞬态分析，得到故障前后电流波形如图 所示，其中图（）、（）分别为不带有阻尼绕组和带阻尼绕组的电机单相短路电流波形。图 基于 的 单相短路场路耦合模型图 基于场路耦合模型的电机单相短路电流波形从图（）中可以看出，不带阻尼绕组电机出现单相接地短路故障时，发生故障的 相绕组瞬间产生很大的短路电流，由短路前的稳定状态迅速跃变为不稳定状态，定子短路电流瞬时值最大可达额定值的 倍。从图（）中可以看出，带阻尼绕组电机出现单相接地短路故障时，故障相产生巨大短路电流，但相比无阻尼绕组电机的单相短路电流，其幅值变小，最大幅值为.，相比于没有阻尼绕组时的.减小.。.两相短路故障分析除单相定子绕组短路外，还可能存在不同相绕组的相间短路故障。在本文中电机的两相短路故障是指电机的某两相绕组出线端之间发生短接，两相短路故障仿真模型的建立是在前文的场路耦合模型基础上，改变短路控制开关的连接位置，将开关连接在 相与 相绕组之间，得到两相短路的永磁同步发电机场路耦合模型，如图 所示。图 基于 的 两相短路场路耦合模型设置当 正常运行到 时，定子绕组出现两相短路，即电机中的 相和 相绕组发生短路故障。利用 中的场路耦合模型进行两相短路故障瞬态参数计算，得到故障前后电流波形如图 所示，其中图（）、（）分别为不带有阻尼绕组和带阻尼绕组的电机的两相短路电流波形。图 基于场路耦合模型的电机两相短路电流波形带阻尼绕组的凸极式永磁风力发电机短路瞬态特性研究.从图（）中可以看出，不带阻尼绕组电机出现两相短路故障时，发生短路的 相和 相电流在短路故障瞬间，幅值骤然增大，最大值约为.，达到额定值的.倍。从图（）中可以看出，带阻尼绕组电机出现两相短路故障时，、两相电流在故障发生瞬间幅值突然增大，然后开始振荡衰减，最后趋于稳定，最大瞬时电流幅值达到.，约为额定值的.倍，与无阻尼绕组电机两相突然短路电流最大值.相比，降低了.。.三相短路故障分析三相短路 仿真模型需在两相短路仿真模型的基础上，增加一个控制开关连接 相与 相绕组，如图 所示。设置脉冲电路使两个开关能同时在 时动作，即当 正常运行到 时，开关、闭合，定子绕组出现三相短路故障，、三相绕组发生短路故障。图 基于 的 三相短路场路耦合模型利用 中的场路耦合模型进行三相短路故障瞬态参数计算，得到故障前后电流波形如图 所示，其中图（）、（）分别为不带有阻尼绕组和带阻尼绕组的电机的三相短路电流波形。从图（）中可以看出，不带阻尼绕组电机在三相短路故障发生瞬间，短路电流迅速变大，三相电流都在瞬间陡增，最大瞬时值达到了额定电流的.倍。从图（）中可以看出，带阻尼绕组电机的三相短路电流最大值为额定电流的.倍，达到，与无阻尼绕组电机三相突然短路电流最大值.相比，降低了。从以上仿真结果来看，无论是单相接地短路、相间短路，还是三相短路故障，阻尼绕组的存在使得定子短路电流的最大值发生了很大的变化。阻尼绕组与转子绕组并联，使得定子瞬态电流有所减小，加速了能量的衰减。图 基于场路耦合模型的电机三相短路电流波形 突然短路对 永磁体退磁影响分析当发电机发生短路故障时，电机绕组中会产生较大的短路电流，从而产生较强的退磁磁场，会对永磁体造成不可逆的退磁，对电机的安全稳定运行造成极大影响。基于前文建立的短路故障模型，研究永磁发电机突然短路对永磁体退磁情况的影响，设定故障发生时电机永磁体的温度为，此温度下永磁体的不可逆退磁拐点为.，本文中的退磁分析均以.为参考值。.单相短路退磁分析在已经建立好的发电机场路耦合仿真模型下，研究单相接地短路故障对带阻尼绕组和不带阻尼绕组电机的永磁体的退磁影响，结果如图 所示。图 单相短路故障后的磁通密度云图.大 电 机 技 术从图（）可以看出，带阻尼绕组电机发生单相接地短路后，永磁体并未发生退磁。从图（）可以看出，当不带阻尼绕组电机发生单相接地短路故障后，永磁体的左上角的磁通密度小于.，永磁体出现退磁。.两相短路退磁分析在已经建立好的发电机场路耦合仿真模型下，研究两相短路故障对带阻尼绕组和不带阻尼绕组电机永磁体的退磁影响，结果如图 所示。从图（）可以看出，发生两相短路故障后，带阻尼绕组电机的永磁体并未发生退磁。从图（）可以看出，在两相短路故障发生后，无阻尼绕组电机永磁体的左上角部分的磁通大小在退磁拐点.以下，说明永磁体出现退磁。图 两相短路故障后的磁通密度云图.三相短路退磁分析在已经建立好的发电机场路耦合仿真模型下，研究三相短路故障对带阻尼绕组和不带阻尼绕组电机的永磁体的退磁影响，结果如图 所示。从图（）可以看出，带阻尼绕组电机发生三相短路后，永磁体并未发生退磁。从图（）可以看出，当无阻尼绕组电机发生三相短路故障后，永磁体大部分的磁通密度降至退磁拐点.以下，永磁体出现退磁。图 三相短路故障后的磁通密度云图 结论 具有功率密度高、永磁体保护性好等优点，在风力发电中具有很好的应用前景。本文基于场路耦合法，对 不同短路故障进行模拟仿真分析，得到如下结论：（）通过对不同短路故障下的带阻尼与不带阻尼电机电流的对比分析可得，带阻尼绕组的 在单相、两相和三相短路故障下的短路电流比不带阻尼绕组的分别减少了.、及.，针对不同的短路情况，阻尼绕组均能有效地使短路电流大幅降低，从而维持电机的稳定运行；（）通过对不同短路故障对永磁体退磁程度的影响进行对比和分析，发现无阻尼绕组电机在单相、两相和三相短路故障情况下，退磁部分的面积分别约占永磁体总面积的.、.及，其中三相短路故障下永磁体退磁情况最严重，单相短路故障的退磁影响最小；（）对比无阻尼与有阻尼绕组电机在相同短路故障下永磁体的退磁情况可以发现，有阻尼绕组电机的永磁体基本上不存在退磁，说明阻尼绕组可有效防止电机在短路故障时永磁体发生不可逆退磁。参 考 文 献 寇宝泉，赵晓坤，张浩泉，等 永磁同步电机电磁结构及磁场调节技术的综述分析 中国电机工程学报，（）：陈俊威，李建发 发电机定子绕组短路故障原因分析 电工技术，（）：胡磊，徐俊元，王晓剑，等 应用重复脉冲法定量评估发电机转子绕组匝间绝缘状态 绝缘材料，（）：，（）：，（）：带阻尼绕组的凸极式永磁风力发电机短路瞬态特性研究.孙宇光，王祥珩，桂林，等 场路耦合法计算同步发电机定子绕组内部故障的暂态过程 中国电机工程学报，（）：叶志军，游佰强，等 基于 的大型同步发电机在额定运行下定子绕组匝间短路故障特性研究 中国电机工程学报，（）：，（）：许伯强，王祥珩，毕大强 同步发电机多回路有限元耦合数学模型及其应用 电力系统自动化，（）：王京 永磁同步电机场路耦合仿真设计研究 杭州：浙江大学，戈宝军，芦浩 定子绕组匝间短路时转子不平衡径向磁拉力 电力系统及其自动化学报，（）：赵洪森，戈宝军，陶大军，等 定子绕组匝间短路对发电机电磁转矩特性的影响 电工技术学报，（）：黄浩，胡刚，张建涛 大型短路试验发电机运行性能仿真 大电机技术，（）：朱喜华，李颖晖，张敬 基于 的永磁同步电机早期匝间短路故障分析 大电机技术，（）：杨定乾，陈赟，张敏 阻尼绕组对同步发电机三相短路电流的影响 黑龙江电力，（）：，（）：周伟强 同步发电机阻尼绕组设计与超瞬态电抗性能验证 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