基于Maxwell2D兆瓦级双馈风力发电机有限元仿真

摘 要 :通过分析变速恒频双馈感应风力发电机的工作原理 ,提出了基于有限元分析软件 M axwell 2D 对兆瓦 级风力发电机的仿真方法 ,仿真结果和试验结果的对比验证了该方法的可行性和可靠性 。
关键词 :变速恒频 ;双馈感应发电机 ;有限元仿真 中图分类号 : TM 315; TM 346 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7018( 2008) 10 - 0022 - 03
工周期短 、造价低等显著优势 ,是可再生无污染能源
中最具大规模开发利用前景的新能源 [ 2 ] 。而研制
和选用适合于风电转换的运行可靠 、效率高 、控制及
供电性能良好的发电机系统是风力发电工作的一个
重要组成部分 。
根据目前国内外研究概况 ,大功率风力发电机
主要采用以下两种结构 :一种是带齿轮箱的变速恒
加转子励磁电流如下 : Ia = Im co s (2πsf1 t)
Ib
= Im co s ( 2πsf1 t -
2π) 3
(5)
Ic
= Im co s ( 2πsf1 t -
4π) 3
式中 : s为转差率 , 亚同步时为正 , 超同步时为负 , 同
步时为零 。这样 ,同步状态时励磁电流为直流 ,亚同
兆 瓦
联支路数 ,然后对绕组开路设置 (负载电阻设为大
级 双
的阻值 ,一般大于 106 Ω ) 。本例对同步运行状态进
馈 风
行仿真 ,励磁电流为直流 , i2a = 200 A , i2b = i2c = -
力 发
i2a 2
,
VA
、VB
、VC
检测值即为开路电压
,计算结果如图
4
电 机 有
所示 。图 5为开路电压波形和正弦波对比 ,表 2 数
FEM S im ula tion of M W - C la ss D oubly - Fed W ind Genera tor Ba sed on M axwell2D
ZHEN G W en - peng1 , LUO X in - hua2 , SH I J in - hao1 , YE J in - hu1 (1. No. 21 Reasearch Institute Under CETC, Shanghai 200233, China; 2. The Chinese PLA Stationed in M ilitary Rep resentative Office of Shanghai Academy of Spaceflight Technology)
)
Lm
- ωsLm R r + pL r
- pLm
iqs
-
(ωs
-
ω r
)
Lr
id r
(1)
uqr
(ωs
-
ω r
)
Lm
pLm
(ωs
-
ω r
)
L
r
R r + pL r
iqr
Tm
-
Te
ω
-D r p
=
J ·dωr p dt
机模型 ,图 2为简化为 1 /3的样机模型 。 (2)
Te
=
3 2
pLm
(
iqs
运行时 ,一般将定子绕组接入电网 ,转子绕组接到幅 值 、相位 、频率 、相序可调的交流电源 。根据式 ( 1 ) 可知 ,通过调节转子励磁电流的幅值 、相位 、频率 ,在 不同的转速下保持定子绕组输出电压幅值 、频率恒
定 ,而且可以调节输出的有功和无功功率 [3 ] 。而转 子侧则根据不同的运行状态输入或输出功率 , 实现 双馈 。双馈发电机的转速 、频率满足如下关系 :
2 发电机空载特性仿真
发电机空载仿真内容主要包括空开路电压分析
以及变速恒频仿真方法 。
基
2. 1 开路电压
于
如果忽略铁磁材料饱和效应的影响 ,转速以及
112 MW 双馈感应发电机为例 ,进行有限元建模与 仿真 ,电机主要参数如表 1所示 。
表 1 1. 2 MW 双馈感应发电机主要参数
额定 额定 额定
id r
-
iqr ids )
(3)
式中 :下标 s、r分别代表定转子分量 , d、q分别代表
dq0坐标系下的分量 , L s、L r、Lm 分别表示定子自感 、 转子自感 、定转子互感 , Rs、Rr 分别表示定转子电 阻 , p为微分算子 , p为极对数 ,ω为角速度 , D 为阻
尼系数 。
所谓双馈电机 , 是指电能可分别从电机的定子 绕组和转子绕组馈入或馈出 。双馈电机作为发电机
微特电机 2008年第 10期
D设es计ign分an析danalysis uds
- R s - pL s
ωsL s
- pLm
ω s
Lm
id s
uqs =
ud r
- ωsL s pLm
- R s - pL s
-
(ωs
-
ω r
基 于
频双馈感应发电机 ,另一种是无齿轮箱的直驱永磁
发电机 ,原理框图如图 1所示 。两种方案各有特点 ,
其中永磁发电机系统可以不带齿轮箱 ,不需电励磁 ,
效率较高 ,但是由于永磁体励磁调节困难 ,输出必须
兆 经过全功率交直交变换 ,在大功率变换时易受电力
瓦 级
电子器件性能的限制 。而采用双馈感应发电机方
幅值 /V 545 25. 2 6. 3 5. 2 11. 6 2. 7 2. 6 6. 2 8. 1
相位 / ( °) - 88. 9 - 89. 3 - 107. 7 - 80. 5 - 102. 5 - 24. 8 - 100. 2 - 166 71
渐增加 ,铁心饱和现象明显加强 ,磁密最大的转子齿 根处由空载的 1. 6～1. 7 T增加到 1. 9 T左右 ,对于 常规铁磁材料该点已经处于临界饱和 ,如果负载继 续增加 ,电压畸变率会逐渐加大 ,并降低有效材料的
外 ,由于兆瓦级发电机局部小尺寸和总体大尺寸差 别较大 ,若采用整体模型 ,剖分单元数量很大 ,计算 速度缓慢 。为此 ,应利用电机的周期性条件 ,简化电
励磁电流的变化只会改变开路电压的幅值 、频率 、相
位 ,而不会改变谐波含量 。利用 M axwell 2D 计算开
路电压时 ,首先需要正确设置定转子绕组匝数和并
限 元
据为开路电压谐波分析 (其中幅值低于 2. 0 V 谐波
仿 真
忽略 ) 。由于三次以及三的倍数次谐波在对称三相
系统中不存在 ,因此高次谐波含量较低 ,约为 3% ,
满足电网谐波含量的要求 。
23
D 设es计ign分an析danalysis 的 偏 差 小 于 允 许的 范 围 微, 此特时电机所加 负 20载08为年第该1励0期磁 电
Key words: variable speed constant frequency; doubly fed induction generator; FEM simulation
0 引 言
目前正在开发的绿色新能源主要有太阳能 、风
能 、地热能 、海洋潮汐能等 [ 1 ] ,其中风力发电具有施
定子 转子 定子绕组 转子绕组
项目
极对数
功率 /MW 电压 /V 频率 /Hz
槽数 槽数 接线方式 接线方式
数值 1. 2 690 50
3 72 54 Y
Y
采用 M axwell 2D 进行电机二维有限元建模时 , 粗几何模型可由 Rmxp t直接生成 ,然后在 M axwell 2D绘图环境下进行精确调整 。几何模型生成后 ,再 根据材料属性以及绕组接线方式建立物理模型 。另
本文基于双馈风力发电机的数学模型 ,论述了 利用电磁场有限元软件 M axwell 2D 进行兆瓦级双 馈风力发电机磁场与参数分析的建模与仿真方法 , 根据计算结果和试验结果的对比 ,证明了仿真方法 的可行性和可靠性 。
1 双馈风力发电机基本工作原理及有限元仿 真建模方法
1. 1 双馈风力发电机基本工作原理 双馈风力发电机本质上是感应发电机 。感应电
Abstract: The working p rincip le of variable speed constant frequency (VSCF) doubly fed induction generator (DF IG) was p resented and a simulation method for mega watt level w ind power generator was p roposed based on FEM software M ax2 well2D. The coherence of text and simulation results p roved that the method was both feasible and reliable.
D设e基s计ign分于an析daMnalyasixs w e l l 2D 兆 瓦 级 双 馈 风 力 发 电 机 有 微特限电机元 仿 2008真年第 10期
郑文鹏 1 ,罗新华 2 ,施进浩 1 ,叶金虎 1
(1. 中国电子科技集团公司第二十一研究所 ,上海 200233; 2. 中国人民解放军驻上海航天局中心军事代表室 )
机的数学模型比较成熟 。由于是恒频发电 ,通常采 用同步旋转轴系的数学模型 。在平衡状态下可忽略 零序分量 ,电机为五阶模型 。数学模型的建立首先 基于以下正方向规定 :
(1) 定子绕组按发电机惯例 ,转子绕组按电动 机惯例 ;
(2) 绕组电流与磁链符合右手螺旋规定 ,正电 流产生正磁链 ;
(3) 感应电势与磁链符合右手螺旋规定 。 由此得到电压平衡方程式 、转矩方程式以及电 磁转矩公式 :
流下所能达到的最大负载 。
3. 2 磁场分布
图 7为磁场分布图 ,其中图 7a为空载磁场分布
图 ,图 7b为额定负载磁场分布图 。由图形对比可以
看出 ,负载时磁场分布和空载有所不同 ,这是因为随
着负载增加励磁电流逐渐增加 ,定子绕组电流也逐
表 2 开路电压谐波分析
谐波次数 1
3
15 17 23 41 51 71 73
图 2 双馈发电机有限元模型
有限元模型完成后 ,根据电机运行的实际情况 构建电机外电路 。为简化分析过程 ,在建立负载模 型时假设发电机功率因数为 1,负载为纯阻性负载 。 定子部分通过软件外电路功能来施加负载 ,并通过 外电路元器件中的电压表 、 电流表读取端部电压和负载 电流 。外电路原理图如图 3 所示 。图中 , LA 、LB 、LC 为定 子三 相 绕 组 电 感 , rA 、rB 、rC 图 3 定子侧外电路 为定子绕组内阻 , RA 、RB 、RC 为负载电阻 , 各阻值均 需给定 。VA 、VB 、VC 为电压表 , 检测各相端电压 , IA 、 IB 、IC 为电流表 ,检测各相电流 。转子侧为励磁侧 , 施加电流源 ,给定电流值即可 。有限元模型和外电 路模型完成后 ,即可进行电机性能的有限元时步法 仿真运算 。
2. 2 变速恒频仿真
利用率 。
由式 (1) 、式 ( 4)知道 ,通过调节转子励磁电流
的幅值 、相位 、频率 ,可以在不同转速时保持定子绕 组输出电压幅值 、频率恒定 。利用 M axwell 2D 仿真
时 ,由于转速不能以函数方式施加 ,必须给定常数
值 ,因此可分别对不同运行状态进行仿真分析 。施
双 馈
案 ,所需变换器的容量仅为发电机总容量的 1 /3左
风
力
发
电
机
有
限
元
仿
真
图 1 两种不同结构发电机原理框图
22
收稿日期 : 2008 - 02 - 20
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
右 ,可以大大降低对变换器的要求 。在大功率变换 器件性能无重大提高的情况下 ,双馈发电方案在兆 瓦级甚至更高级别风力发电方面更具有竞争力和可 行性 。因此 ,该种电机的仿真与设计就成为一项重 要的工作 。
f1
=
pn 60
±f2
(4)
式中 : f1 为定子侧输出频率 , f2 为转子侧励磁电流频 率 , p为电机极对数 , n为电机转速 ,低于同步速运行
时取“ + ”,高于同步速时取“ - ”。
1. 2 场路结合仿真建模方法
双馈感应发电机磁路跟传统径向磁路电机结构
相同 ,可采用二维有限元方法近似分析电机电磁场 。 由于双馈感应电机变量多 ,运行状态复杂 ,为准确仿 真电机性能 ,宜采用场路结合的方法 ,对电机不同负 载 、不同转速等运行状态进行仿真 。本文以一台
步状态时励磁电流相序为 a - b - c, 超同步状态时
变为 a - c - b。图 6给出亚同步和超同步状态定子
开路电压及转子励磁电流波形图 。
基 于