兆瓦级双馈风力发电机电磁场有限元分析
梅柏杉，刘海华，张金萍。
(1上海电力学院，上海 200090；2西北工业大学，西安710129)摘要：利用Anson软件中的Maxwel_2D模块建立了Mw级双馈风力发电机(DHG)的仿真模型：通过对DHG模型进行静、瞬态仿真，得到它的磁力线分布罔、磁密分布图、气隙磁密分布曲线、反电动势曲线，并对反电动势进行了谐波分析。仿真结果为双馈风力发电机的进一步优化设计提供了理论依据。
关键词：双馈风力发电机；MaxweIl 2D；静态仿真；瞬态仿真
0 引 言
当电机运行时，在它的内部空间，包括铜与铁所占的空间区域，存在着电磁场，这个电磁场是由定、转子电流所产生的。电机中电磁场在不同媒介中的分布、变化及与电流的交链情况，决定了电机的运行状态与性能。因此，研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有非常重要的意义：
Maxwell 2D是Anson机电系统设计解决方案的重要组成部分。Maxwell 2D是一个功能强大、结果精确、易于使用的一维电磁场有限元分析软件：它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场、温度场等分析模块，可以用来分析电机、传感器、变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常1二况的特性。
双馈感应发电机磁路和传统径向磁路电机结构相同，因此在这里，我们利用AnsoR的Maxwell 2D有限元分析工具对一个三相4极兆瓦级双馈风力发电机进行有限元分析，以验证和考核电机设计的合理性和准确性，并进一步优化设计。
1 电机有限元分析模型的建立1。1电机基本参数本文以1 5 Mw三相4极双馈风力发电机作为分析模型，进行有限元建模与仿真，电机主要参数如下：额定功率PN=1．5 Mw，F=50 Hz，极对数p=2，定子额定电压u1=690 V，定转子槽数72／96，定子采用双层叠绕组，为了削弱低次谐波，采用短距绕组，并联支路数为4，Y形连接；转子双层整距波绕组，并联支路数为l，Y形连接；为了建立电机内部磁场的微分方程，确定求解区域和有限元求解的边界条件，根据该双馈风力发电机的特点’，作如下假定：
1)相对于磁极极距的尺寸来说，气隙是很小的，并且是均匀的，因此其磁感应强度一般只考虑径向分量，且认为沿电机的轴向是不变的，忽略电机端部效应，电机磁场沿轴向均匀分布，即电流密度矢量|，和矢量磁位A只有轴向分量，j=jz，A=2A，；2)铁心冲片材料各向同性，且磁化曲线是单值的，即忽略磁滞效应；3)电机外部磁场忽略不计，定子外表面圆周为一零矢量位面；4)所有导线上的电流密度均匀分布；
5)根据电机结构特点，电机内磁场是对称分布，故在分析电励磁双馈风力发电机内部磁场时，也可取四分之一圆域作为求解区域。
1. 2 电机几何模型的建立
建立电机模型是进行电机电磁场分析的第一步，一般情况下，Maxwell二维分析模型可有Rmxln直接生成，简单方便．但是双馈风力发电机不在软件自带的电机模型库之列，且无对应的励磁方式，因此该模型无法有Rmxprt自动生成。因此只有通过专业的绘图软件绘出电机的剖面图后，以(ixf或者其它文件形式导入，绘图时必须保证图形为封闭的且不能包含任何断点，否则影响后续工作：只有保证了电机模型的准确才能保证电机电磁场仿真的准确：
在建立双馈风力发电机的仿真模型时，为了保证分析的准确度，电机的模型是按与实际的设计尺寸1：
1的比例建立的，并加载材料以及边界条件：得到的电机几何模型见图1。
1．3 电机模型网格的剖分
Anson具有自适应网格剖分的功能，自适应网格加密技术的前提是网格的自动剖分。自动剖分主要是根据场域的几何结构来进行的，自适应网格剖分是在此基础上二根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加其剖分密度的调整：首先对电机模型进行自动剖分，此自动剖分比较稀疏，影响计算的准确性，需要对其加密。理论上网格越密，计算的就越准确，但考虑到计算机资源以及计算时间因素，我们只需要重点加密磁场变化率较大的气隙部分，得到的剖分图如图2所示。
2仿真结果及分析
2.l 电机稳态静磁场仿真结果及其分析
由于区域内包含电流，磁场用矢量磁位A。求解。选取整个电机圆周为计算区域，以矢量磁位A：
为求解变量，其泊松方程边值问题描述为：
假定电机周围不能够漏出磁通，定子外圆边界加磁力线平行边界条件，即A2=02：双馈电机激励由转子侧加载，定子绕组开路，认为气隙磁场仅由转子磁势产生，励磁电流加到转子线圈中，这里所加电流为额定电流的20％即90 A。得到磁场磁力线和磁密的分布如图3、图4所示。
从图中可以看出双馈风力发电机的磁力线对称且径向分布，磁密设计合理，达到了预期的设计效果 。
2。2双馈风力发电机空载特性仿真及分析
空载特性是发电机的基本特性之一，通过空载
特性我们可以了解到电机的磁路设计的是否合理。
尽管电机负载运行后，由于电枢反应的影响而使得电机的磁路要发生变化，但从空载特性上我们仍可以看出电机磁路的饱和趋势及电机输出电压的大小，因此对发电机的空载特性进行分析是十分有必要的。
利用MaxwelI 2D计算开路电压时，首先要正确设置定转子绕组匝数和并联支路数，然后对绕组进行源设置。把定子开路的运行“E况称为双馈发电机的空载运行，所以定子绕组可以加电流值为O的电流源，相当于定子开路；转子绕组可加电压源或者电流源，定子开路电压可有软件自行求得。本论文对双馈风力发电机同步运行状态进行了仿真。双馈电机同步运行时，励磁电流为直流，所以这里在转子侧加电流源，假设转子三相用k、L、M表示，则
图5为气隙磁密曲线，从图巾可以看出由于齿槽效应使得气隙磁密波形发生畸变一图6为双馈电机空载定子相电势感应输出曲线。从罔6中可以看出，定子三相电势v A、v—B和v—c呈正弦对称分布，相位依次滞后120。
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2。3双馈风力发电机空载相电势谐波分析
双馈电机产生的电压波形或多或少与正弦波有些差别，因此含有一定的谐波分量。随着人们对电能质量要求的日益提高，谐波含量(THD)成为衡量电能质量的一个重要指标，所以有必要对电机产生电势波形进行谐波分析。
在电力系统中把具有各次谐波的周期信号表示为：
3实验结果
依据没计要求，已研制出一台1．5 MW,4：极双馈风力发电机样机，对其工作特性进行测试，测得数据如下表l：
下面对不同转速情况下转子侧所加不同励磁电流时定子侧感应电势作图，如下图8所示：
通过试验数据可知，在电机不同转速下，施加相应幅值和频率的励磁电流可以保证双馈电机输出恒幅恒频电压。从工程上证明了电机设计的可靠性。
4结论
本文利用Ans0ft司的Maxwell 2D模块完成了对兆瓦级双馈风力发电机的仿真研究：仿真结果比较逼真地反应了双馈风力发电机内部电磁场的分布情况及电机的运行特性，从而为判断电机设计的合理性提供了参考依据，而且可根据有限元分析结果对所设计的电机进行进一步的优化，试验结果也证明了该设计的可靠性
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