1.5MW双馈风力发电机的设计

学校代号：１０５３２

学号：Ｓ０９０９Ｗ１０１

密级：普通

湖南大学工程硕士学位论文１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

——＿

Ｄｅｓｉｇｎｆｏｒ１．５ＭＷＤｏｕｂｌｙ—ＦｅｄＷｉｎｄＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ

ｂｙ

ＷａｎｇＱｉａｎ

Ｂ．Ｅ．（ＨｕｎａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２００９

Ａｔｈｅｓｉｓｓｕｂｍｉｔｔｅｄｉｎｐａｒｔｉａｌｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ

Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆ

ＭａｓｔｅｒｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ｉｎｔｈｅ

ＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌ

ｏｆ

ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ

ＰｒｏｆｅｓｓｏｒＨｕａｎｇＳｈｏｕｄａｏ

ＳｅｎｉｏｒＥｎｇｉｎｅｅｒＺｈａｎｇＹｕｅｌｅｉ

Ａｐｒｉｌ，２０１１

湖南大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：五铺日期：二口Ｉｆ年彳月留日

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于

ｌ、保密口，在年解密后适用本授权书。

２、不保密团。

（请在以上相应方框内打“／”）

作者签名：三侑日期：≥Ｄ／／年４月廖日导师签名：／塞每乞互／；匕。，ａ一日期：ｄ卫卵年≯月厂日

蒴嘲锣∥，，，—兀Ｖ∥

Ｉ．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

摘要

风能是可再生绿色能源，是地球与生俱来的一种资源，作为可再生的绿色能源，凭借其巨大的商业潜力和环保效益，在全球的新能源和可持续发展的再生能源行业中创造了快速增长。一般而论，在风力发电生产的成本构成中，发电设备所占的比例最多，而运行成本很低。因此设计研发先进的风电设备是发展风电产业的关键。

随着电力电子和计算机技术的迅速发展，风力发电技术发生了巨大变化，许多大型风力发电机组正不断发展、相继问世。当今世界，风力发电机种类很多，可分为同步电机、异步感应发电机、绕线式异步发电机、双馈发电机、永磁电机、直驱永磁、恒速、变速等多种不同形式的风力发电机。但目前在风电机组中应用得最多、容量最大的电机是双馈变速恒频交流异步发电机，因经济效益而发展最快，而占据主导地位。

本文主要针对兆瓦级双馈风力发电机，描述了双馈风力发电机的基本工作原理、电磁关系和功率特性，对双馈发电机的能源流向与功率关系进行了相应的研究。论述了兆瓦级双馈风力发电机的设计特点，重点给出了几个计算模块的迭代过程。进行具体的１．５ＭＷ的双馈风力发电机的设计，用ＶＢ开发的相应的电磁设计软件设计１．５ＭＷ的双馈风力发电机。初步介绍有限元分析的基本原理，并且运用有限元分析软件Ａｎｓｏｆｔ对双馈风力发电机的２Ｄ瞬态磁场和空载情况运行进行了分析。论述了电机部分结构的制造技术规范、转轴的挠度计算和轴承寿命的计算，并绘制了电机的部分结构图。关键词：风力发电；双馈风力发电机；电机设计；有限元分析

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｉｓａｒｅｎｅｗａｂｌｅｇｒｅｅｎｅｎｅｒｇｙ，ｗｉｔｈｉｔｓｈｕｇｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌａｎｄｅｎｖｉｒｏｎ【ｍｅｎｔａｌｂｅｎｅｆｉｔｓ，ｈａｓｃｒｅａｔｅｄａｒａｐｉｄｇｒｏｗｔｈｉｎｔｈｅｇｌｏｂａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎｅｗｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙａｎｄｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｅｎｅｒｇｙｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙｓｐｅａｋｉｎｇ，ｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆｗｉｎｄｐｏｗｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｏｓｔｓ，ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｈａｖｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｅｒｃｅｎｔａｇｅａｎｄｔｈｅｌｏｗｅｓｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｓｔｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｄｖａｎｃｅｄｗｉｎｄｐｏｗｅｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｔｈｅｋｅｙｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｐｏｗｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙ．

Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｐｏｗｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｃｈａｎｇｅｄｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｍａｎｙｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｃｏｎｔｉｎｕｅｓｔｏｄｅｖｅｌｏｐ，ｏｎｅａｆｔｅｒａｎｏｔｈｅｒ．Ｉｎｔｏｄａｙ’Ｓｗｏｒｌｄ，ｔｈｅｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｃａｎｂｃｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ．ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｗｏｕｎｄｒｏｔｏｒｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｄｏｕｂｌｙ‘ｆｅｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ，ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒ，ｓｔｒａｉｇｈｔｆｌｏｏｄｉｎｇｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ，ｃｏｎｓｔａｎｔｓｐｅｅｄ，ｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄａｎｄＳＯｏｎｍａｎｙｋｉｎｄｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｏｒｍｓｏｆｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ・Ｂｕｔｎｏｗｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｃｏｎｓｔａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｇｅｎｅｒａｔｏｒｈａｓｔｈｅｍｏｓｔｃａｐａｃｉｔｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｅｄｗｉｄｅｌｙ．Ｉｔｉｓｄｏｍｉｎａｎｔ，ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｆａｓｔｅｓｔｇｒｏｗｉｎｇｅｃｏｎｏｍｉｃ・

Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅ

ｐａｐｅｒ，ｆｏｒｔｈｅＭＷ－ｃｌａｓｓＤｏｕｂｌｅ・ＦｅｄＷｉｎｄＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒｓ，ｄｅｓｃｒｉｂｅ

ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｌａｔｉｏｎｓａｎｄｐｏｗｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｏｕｂｌｅ．ｆｅｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ，ｄｉｓｓｅｒｔａｔｓｐｏｗｅｒｒｅｌａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｅｎｅｒｇｙｆｌｏｗ’ｏｆｔｈｅＤｏｕｂｌｅ．ＦｅｄＷｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ．ＤｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｆｅａｔｕｒｅｓｏｆＭＷ－ｃａｌｓｓｗｉｎｄｐｏｗｅｒ２ｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｓｅｖｅｒａｌｋｅｙｉｔｅｒａｔｉｖｅｐｒｏｃｅｓｓｉｓｇｉｖｅｎｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｓ．Ｃａｒｒｙｏｕｔｓｐｅｃｉｆｉｃｄｅｓｉｇｎｏｆ１．５ＭＷＤｏｕｂｌｅ・ＦｅｄＷｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｄｅｓｉｇｎｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｅｄｂｙＶＢ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ２Ｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎｄｎｏ－ｌｏａｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆＭＷ－ｃａｌｓｓｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅＡｎｓｏｆｔ．Ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｔｈｅｓｈａｆｔｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｂｅａｒｉｎｇｌｉｆｅ．Ａｔｌａｓｔ，ｄｒｅｗｓｏｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｐｏｗｅｒ；ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｍｏｔｏｒｄｅｓｉｇｎ；ｆｉｎｉｔｅ

ｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓＩＩＩ

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

目录

学位论文原创性声明……………………………………………………………………Ｉ摘要……………………………………………………………………………………………………．．ＩＩＡｂｓｔｒａｃｔ……………………………………………………………………………………………………．ＩＩＩ第ｌ章绪论………………………………………………………………………………．１

１．１国、内外风电场及发展…………………………………………………………………ｌ

１．１．１国外风电场及发展…………………………………………………………．．１

１．１．２国内风电场及发展………………………………………………………………２

１．２风力发电机组设计概论……………………………………………………．．２

１．２．１风电机组的的基本功能构成…………………………………………３

１．２．２风轮的功率调节方式……………………………………………………．３

１．２．３发电机变转速／恒频技术…………………………………………４

１．３双馈风力发电机的发展现状及前景………………………………………………．４１．４本文主要研究内容……………………………………………………………一４第２章兆瓦级双馈风力发电机的基本原理………………………………………．６

２．１双馈风力发电机的结构与工作原理………………………………………６

２．１．１双馈风力发电机的结构……………………………………………………．．６

２．１．２工作原理………………………………………………………………………一６

２．２双馈发电机内部电磁特性……………………………………………………一７

２．２．１双馈发电机等效电路和相量图…………………………：…………７

２．２．２定、转子电流…………………………………………………………………一８

２．２．３电磁转矩和电磁功率………………………………………………………一９

２．３双馈风力发电机的能量流动平衡关系…………………………………………．．１０

２．３．１双馈风力发电机运行时的功率分析……………………………．１０

２．３．２能量流动平衡关系……………………………………………………………１１

２．４本章小结………………………………………………………………………………．１５第３章１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计…………………………………………１６

３．１双馈风力发电机的额定数据和主要尺寸………………………………．１６

３．１．１考虑转子接励磁后的极对数……………………………………………．．１６

３．１．２气隙的确定…………………－…………………………………………………．１６

３．１．３电磁负荷的确定…………………………………………………………………１６

３．１．４计算功率…………………………………………………………………………１７

３．２铁心槽形和绕组的选择…………………………………………………．．１９

３．２．１定子铁心和绕组的设计…………………………………………………．．１９

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３．２．２绕线转予铁心和绕组的设计……………………………………２０

３．３工作性能的计算………………………………………………………………………．２１

３．３．１转子励磁电压和转子励磁容量的计算……………………………２ｌ

３．３．２定子稳态短路电流的计算…………………………………………。２２

３．３．３电压调整率………………………………………………………………。２３

３．３．４有功和无功的计算……………………………………………………………．２４

３．３．５损耗及效率……………………………………………………………。２５

３．４针对１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计……………………………………．２６

３．４．１主要计算模块及其流程图………………………………………２６

３．４．２用双馈风力发电机设计软件进行实例计算及结果分析…………．．２８

３．５１．５ＭＷ双馈风力发电机的有限元分析………………………………………．２９

３．５．１软件的介绍………………………………………………………………３０

３．５．２关于１．５ＭＷ双馈风力发电机的有限元分析………………………３０

３．６本章小结…………………………………………………………………………．．３２第４章１．５ＭＷ双馈风力发电机的结构设计和机械计算………………………一３３

４．１电机零部件的技术要求………………………………………………．．３３

４．１．１铁心制造的技术要求……………………………………………………．３３

４．１．２绕组线圈的制造和技术要求……………………………………．３４

４．１．３有绕组的定子铁芯……………………………………………………………．３５

４．１．４装配…………………………………………………………………………………．３６

４．２轴的扰度和轴承寿命计算………………………………………………３７

４．２．１转轴的扰度计算…………………………………………………………．．３７

４．２．２轴承寿命计算……………………………………………………一４３

４．３本章小结……………………………………………………………………．４４结论……………………………………………………………………………………………………．．４５参考文献……………………………………………………………………………………………．４７附录Ａ（电磁计算结果）………………………………………………………………………５０致｛射…………．．．……………………………………………………………………………………………５４Ｖ

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第１章绪论

本章主要讲述了世界和我国的风能资源和风电场的概况，风力发电机组设计概论，双馈风力发电机的发展现状，最后介绍了选择本课题的原因以及大致内容。

内外风电场及发展

１．１．１国外风电场及发展

全球可利用的风能资源非常丰富，风能总量比地球上可开发利用的水能总量大ｌＯ倍以上。１９世纪末，丹麦最早开始研究风力发电技术。随着煤、石油和天然气等化石燃料越用越少，空气污染、水源枯竭、地球温室效应等环境问题日趋严重，风力发电作为可再生的，无污染的清洁能源受到人类越来越多的重视。世界发生石油危机后，科学家开始重视利用风力发电，但那时的注意力是放在如何利用陆地上的风能，随着科技的发展，现在已经逐步发展从陆地到海上风能的全方位的风能利用。

到２００２年底，世界累积的风力发电设备有６１０００台，总装机容量有３２００万千瓦，欧洲占７５％ｌｌＪ。世界各国的风电装机情况见表１．１。

表１．１全球风电装机容量地区颁布（Ｍｗ）

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

（续表）

国家或地区２００４年底２００５年新增２００５年底

德国１６６２９．２１７９８．８１８４２８

西班牙８２６３１７６４１００２７

丹麦３１１８４３１２２

意大利１２６４・６４５２・４１７１７

欧

洲英国８８８４６５１３５３．

羹荷兰１０７８１４ｌ１２９ｌ

体其他３１３０１５５７．８１５７２．２

注

国欧洲自由贸易区１６９１１０２７９

乌克兰７２１０８ｌ

欧洲新增国２８８２８

其他７５１２

合计３４６４７６３１６４０９０４

１．１．２国内风电场及发展

这十几年来，我国对风能资源状况作了深入的勘测调查，见表１．２。这几

国的交通条件得到极大的改善，电网覆盖风电场提供了更有利的条件。

表１．２中国风能储量分布（万千瓦）

省份可开发量省份可开发量省份可开发量

内蒙古６１８０辽宁６１０黑龙江１７２０

吉林６４０甘肃１１４０河北６１０

山东３９０江苏２４０新疆３４３０

海南６４江西２９０浙江１６０

福建１４０广东２００

按可持续发展战略原则，注重开发对生态有利的新型可再生能源，如风

太阳能、潮汐能等。风力发展由于清洁无污染、施工周期短、投资灵活、占士ｌ具有较好的经济效益和社会效益，也受到了中国政府的高度重视。

１．２风力发电机组设计概论

风的特性是随机的，风向、风速大小都是随时在变化，因此风能发电就

别于火力发电的不同特点。例如，风轮的功率调节、变速运行、变速／恒频问２

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１．２．１风电机组的的基本功能构成

风电机组是一种复杂的机电一体化设备。从能量转换角度看，此类设备大致包括如图１．１所示的几个功能单元【２Ｊ。其中，一次能源转换单元的主要功能是将风能转换为旋转机械能；机械能传递单元的主要作用是传动与制动；发电单元将旋转机械能转换为电能，同时提供必要的并网发电功能；控制与安全系统实现对风电机组起、停机和发电等运行过程的控制，并保证风电机组在任何状态下的安全性。

图１．１风电机组功能单元

１．２．２风轮的功率调节方式

风电机组功率特性除取决于风轮本身的气动特性外，与其运行方式也密切相关。

１．２．２．１变桨距调节功率的原理及其特性

对于确定的叶片翼型，一般有最佳攻角口存在，所对应的升力系统取得最大值。采用变桨调节风轮功率的基本原理，是通过调整叶片桨距角（或称安装角）∥，进而改变叶片攻角口，实现对风轮功率的调节或制动。

对一般的变速恒频型风电机组而言，当风速超过额定风速时，可以通过增大叶片桨距角∥使攻角口减小，以改变叶片升力凡与阻力乃的比例，达到限制风轮功率的目的，使风电机组能够在额定功率附近输出电能。

变桨距调节风电机组一般允许风轮和输入发电机的转速在一定范围变化，但需要通过相应的发电机控制技术，使发电机组能输出恒频恒压的电能。变桨距风轮需要有相应的控制和调节机构，并要求变桨距调节的速度足够快，以减少风速波动引起的功率脉动。

１．２．２．２混合调节

混合调节方式是变桨距调节和定桨距调节这两种调节方式的组合。在低风速时，采用变桨距角调节，可达到更高的气动效率；当风机达到额定功率后，使桨距角∥向减小的方向转过一个角度，相应的攻角口增大，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。

这种方式变桨距角调节不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对可以３

Ｉ．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

较小。’１．２．３发电机变转速／恒频技术

变转速恒频系统，用电力电子变频器将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能【３１。大致有以下几种：

（１）异步感应发电机通过晶闸管控制的软并网装置接入电网。

（２）绕线转子异步发电机外接可变转子电阻，通过一组电力电子器件来调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率。

（３）双馈感应发电机转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动，如图１．２所示。

・●＿－－－———－－＿－一

图１．２双馈感应发电机组

（４）同步发电机本配置方案的显著特点是取消了增速齿轮箱，采用风力机对同步发电机的直接驱动方式。

１．３双馈风力发电机的发展现状及前景

各国在不断扩大风电场的规模的同时各种风电机机型也层出不穷。采用双馈电机可以提高风能利用系数，改善功率因数，还可以吸收由风速突变所产生的能量波动。而变速恒频双馈风力发电系统的核心技术使基于电力电子和计算机控制的交流励磁控制技术。

各国不断提高单机容量，目前，世界上５ＭＷ的风机已经开始商业化运营。为了降低风力发电的成本，要采取一些措施，例如减轻单位重量，提高转换效率，因此兆瓦级大功率电机成为了技术发展的主流。近年来，海上风能资源的开发促进了大容量风机的市场份额。今后从以下几个方面进行可行性发展的研究：提高电压等级，强化应对电网故障的能力，扩大无刷式双馈风电机的市场。

１．４本文主要研究内容

随着环境污染的日益严重，能源的日趋枯竭，中国已是世界上第三大能源生产国和第二大能源消费国，为寻找一条可持续发展的道路，把对常规能源最具有竞争力的风力发电，作为了促进电力结构多样化及环境与生态的改善的重要途径。

由于双馈电机风电机组的优越性能，目前在兆瓦级变速恒频风电机组中，双４

工程硕士学位论文

馈发电机应用最为广泛。

本文，结合国内外的相关文献从变速恒频双馈风电机电磁计算的角度对１．５ＭＷ双馈风力发电机进行了设计，大致包括以下几个方面：

（１）描述了双馈风力发电机的基本工作原理、电磁关系和功率特性，对双馈发电机的能源流向与功率关系进行了相应的研究。

（２）进行兆瓦级双馈风力发电机的设计，深入研究了兆瓦级双馈风力发电机的电磁设计方法，重点给出了几个计算模块的迭代过程，给出总流程图，用ＶＢ开发的相应的电磁设计软件设计１．５ＭＷ的双馈风力发电机，并且运用有限元分析软件Ａｎｓｏｆｔ对双馈风力发电机２Ｄ瞬态磁场和空载特性进行分析。

（３）进行具体的１．５ＭＷ的双馈风力发电机的工程设计，给出了电机的部分结构图。重点在于电机各部分的制造工艺设计规范，以及转轴的挠度计算和轴承寿命计算。５

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

第２章兆瓦级双馈风力发电机的基本原理

２．１双馈风力发电机的结构与工作原理

２．１．１双馈风力发电机的结构

双馈风电机定子结构与异步电机相同，转子结构带有集电环和电刷。转子侧可以加入交流励磁，既可以输入电能也可以输出电能。

双馈异步发电机系统是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变流器组成。发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率或者是通过可逆变流器从转子输出的功率【４】，如图２．１所示。

绕线式爻沉励

磁双馈发电机

图２．１双馈异步发电机发电系统图

２．１．２工作原理

异步发电机中转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：

彳＝ｐ，ｚ±石（２．１）

式中彳一一定子电流的频率，单位为Ｈｚ，彳＝ｐ啊／６０，惕为同步转速；

五一一转子电流的频率，单位为Ｈｚ，因石＝ｌｓｌｆ，，故厶又称为转差频

率。

由上式可见：当发电机的转速刀变化时，可通过调节石来维持彳的不变，以保证与电网频率相同，实现变速恒频控制。

根据转子转速的不同，双馈异步发电机有以下三种运行状态：

（１）亚同步运行状态：此时，ｚ（啊，转差率ｓ｝Ｏ，转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向。

（２）超同步运行状态：此时刀）一，转差率ｓ＜Ｏ，转予电流产生的旋转磁场的转速６

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与转子转速反方向。

（３）同步运行状态：此时刀＝吩，正＝ｏ，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。

交流励磁双馈发电系统是目前大型风电设备采用的典型技术方案之一。此种发电系统的变速恒频控制由转子电路实现，流过转子的电功率与发电机转速所决定的转差功率有关。由于该转差功率仅占发电机额定功率（定子功率）的很小的部分，所需的双向变频器容量也较小，对降低发电和控制系统成本及其实施难度十分有利。同时，这种发电系统还可实现对有功、无功功率的控制，对电网进行无功补偿。但因技术所限，目前交流励磁双馈发电机仍采用集电环和电刷结构，在发电设备的维护和可靠性方面存在问题，需要进一步改进。

２．２双馈发电机内部电磁特性

２．２．１双馈发电机等效电路和相量图

双馈异步发电机的特点是转子导体中除了有感应电流外，还有从电网馈入的低频电流，即转子侧也是有源的。因此定子采用发电机惯例，转子采用电动机惯例。电压、电流、磁通和电动势的正方向这里采用电工惯例规定，把转子各物理量折算到定子方，可写出折算后的基本方程式如下：

玩＝一丘－ｔ，（‘＋内。）

誓７ｓ－～．＋Ｅ（，；７ｓ－崩一）最＝巨＝一厶（名＋丸）（２．２）

ｌ：＝Ｉｉ＋Ｉｍ

其中：庄为主磁通在定子每相绕组中感应出的电动势；

宦为主磁通在转子每相绕组中感应出的电动势；

五为定子每相电流；

皮为转子每相电流的折算值；

以为定子每相电压；

识／ｓ为转子每相电压折算值；

ｓ为双馈电机的转差率，其中ｓ：型；

恢

‘、ｒ；／ｓ和‰分别为定子每相电阻、转子每相电阻折算值和励磁电抗；

五。、《。和Ｘｒｎ分别为定－了每相漏电抗、转＿了每相漏电抗和励磁电抗【５１。

由基本方程式可以画出交流励磁双馈发电机的等效电路图，如图２．２所示：７

Ｉ．ＳＭＷ双馈风力发电机的设计

■盯ｒｌ《盯巧／ｓ

图２．２交流励磁双馈发电机的等效电路图

由双馈发电机的基本方程式和等效电路图可以画出双馈发电机的相量图，以主磁通丸为参考轴，作出双馈发电机的相量图，如图２．３所示。

印个ｊｌＸ，＼

一宦＝一宣・Ｉ７罄

甥ｚ一令！ｊ

一』ｍ；・邓一厶土、＼谚

－－－＿．ｔ

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暑｜

’，最＝巨

图２．３双馈发电机的相量图

子电流

忽略‰后，可由公式（２．２）得到双馈电机稳态运行时的电压方程

Ｉｌ＋工．，１

．Ｕ．．／■一，一：风Ｌ＝ｊ．＾＋，吨“巧‰瓜＋堋ｋ（２．３）十《—¨川．Ｐ屯

可以解出定了电流和转了电流的表达式：

工程硕士学位论文

五＝糍一箍咆：，也－，

弘磊一箍嘞嘞乡堕（２・４’

．

其中：之＝‘＋．，（‰＋五口）＝，ｉ＋Ａ

２：＝呓／Ｊ＋歹（靠＋墨口）＝巧／ｓ＋ｊ；ｊ吃

设转子电压相量与定子电压相量之间的夹角为％，则有：

Ｉ呸＝ｕ２（ｃｏｓ口２＋ｙｓｉｎｏ，２）

【Ｕ＝阴（２．５）

公式（２．４）中的定、转子电流则司以写成Ｆ式：

五＝古卜（％彳＋麟ｊ曰）ｕ＋％（一么ｓｉｎ％＋Ｂｃｏｓａ２）Ｕ２］＋

专【（吒口一％彳）ｕ＋ｘ，．（Ｂｓｉｎｃｚ２＋ａｃｏｓａ２）Ｕ２】（２．６）

之。古｛一ＢＳＸｍＵＩ＋［（，ｉ彳＋五Ｂ）ｃ。ｓ％＋（，ｉＢ一五彳）ｓｉｎ％］％）＋

舌［一ＳＸ．ＡＵＩ＋［（，ｉ么＋五Ｂ）ｓｉｎ呸＋（一巧Ｂ＋五彳）］ｃ。ｓ％％］（２．７）

Ａ＝ｒｌｒ２一踊而＋《

记：Ｂ＝ｓｒｌｘ２＋ｘｌｒ２

ｃ＝《＋乏之＝（‘眨－－ＳＸｌＸ２＋《）＋／（ｓｌｔ＋ｘ。ｒ２）

２．２．３电磁转矩和电磁功率

由于电压方程式和等效电路中瘩的参考正方向为反电动势方向‘６１，并且在忽略‰的情况下电磁功率的定义为：

匕＝３ＲｅＥ／；ｆｌ，＂］（２．８）

将公式（２．２）、公式（２．６）和公式（２．８）联立可以得到双馈风力发电机的电磁功率的计算表达式：９

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

厶＝３Ｒｅ［宣０］＝乙（１）＋厶（２）＋匕（３）

＝孕圻譬明㈦９，

＋．３ｃｘｕｍｌ（、ｒ．ｒ：．＋踊而＋《）ｓｉｌｌ吃一（蹋而一而吃）ｃ。ｓ吃］（ｕ％）

双馈发电机的电磁功率在一定条件下，由三部分构成：

（１）匕（１）：挚斫为玩／墨＝ｏ时，即转子短路时，定子端电压玩单独作用时产生的电磁功率。

（２）Ｐ棚（：）：警以为玩：ｏ时，即定子短路时，以／Ｊ单独作用时产生的电磁功率。只是它恒为正值，本质上为制动性质的电磁转矩。

（３）匕（，）＝》［（吒吒＋踊而＋《）Ｊｉｎ％一（奶毛一而，２）ｃ。ｓ％］（ｕ％）是矾、啦／ｓ共同作用产生的电磁功率。

可见，通常情况下，双馈电机的电磁功率不仅与转差率有关，还与定子电压、转子电压及定、转子端电压之间的相位差角％有关。将电磁功率表达式除以同步角速度Ｑ。，可得到双馈发电机的电磁转矩表达式为：

乙＝每

＝等昕＋簪明㈦…

＋静［（＂踊屯＋玩）幽州蹋恐哪）ｃｏｓ％］（ｕ％）

由公式（２．１０）可以看出当电机参数和定子电压Ｕ一定时，电磁转矩实际上也只是与转子端电压玩／ｓ，转差率ｓ，定子电压与转子电压的相位差角％有关。当转差率Ｓ或是转子转速也不变时，电磁转矩就可以用转子电压∽来控制。２．３双馈风力发电机的能量流动平衡关系

２．３．１双馈风力发电机运行时的功率分析

不计定、转子的铜损耗，风力发电机中的轴上输入的机械功率为最，从转子传送到定子上的电磁功率为Ｐｅｌｎ，定子输出的电磁功率为（１－ｓ）厶，转子输入的电功率为ｓ匕，有：１０

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忍＝匕＝（１一ｓ）巳＋ｓ匕

由公式（２．１１）可见：（２．１１）

（１）转差率ｓ＞０，以＞０需要向转子绕组馈入电功率，由原动机转化过来并由定子输出的电能只有Ｏ－ｓ）Ｐ。．，处于亚同步运行状态；

（２）转差率Ｊ＜０，转子输入的电功率吆为负值，定、转子同时发电，转子发出的电能经双向变流器馈入电网，总输出的电能为ｏ＊１０ｅ．。

几种情况下的功率流向，如图２．４：

＾巴转差功率

ａ）亚同步运行状态

．１ｉＰ．转庄功率

ｂ）超同步运行状态

图２．４双馈发电机运行时的功率流向

２．３．２能量流动平衡关系

２．３．２．１有功功率

交流励磁双馈发电机定子有功功率为：

鼻＝ｍＲｅ［以明

式巾：彳为‘的共轭复数；

ｍ为相数。由公式（２．６）可以得到定子电流‘的共轭复数矸的算法如下：（２．１２）

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

Ｊ『：＝击［一（吒爿＋ｓｘ２Ｂ）ＵＩ＋ｘ．，（－Ａｓｉｎａ２＋Ｂｃｏｓａ２）Ｕｚ】

一暑≥【（吒召一％彳Ｍ＋ｘ，．（Ｂｓｉｎａ２＋Ａｃｏｓａ２）Ｕ２】（２．１３）．

将公式（２．１３）代入公式（２．１２）可以得到定子有功功率：

最＝罟（如＋Ｂｓｘ：）・斫＋号‰（一ＡｓｉＩｌ％＋Ｂｓｉｎ吃），ｕ％（２．１４）

交流励磁双馈发电机的有功功率有两部分组成，第一部分为定子电压所产生的有功功率，第二部分是由定子电压大小、转子电压大小及它们之间相位差角共同决定的同步功率。在转差率ｓ一定时，交流励磁双馈发电机定子有功功率只与转子电压大小及相位有关。通过改变转子电压的大小和相位，可以调整交流励磁发电机的工作状态。

交流励磁双馈发电机转子有功功率为：

最＝ｍＲｅ［矾口］（２．１５）

同理可得，转子有功功率如下：．

罡＝号（，ｊ２州，；＋《）听一等胁ｓ％批ｉｎ哆】ｕ％（２．１６）

２．３．２．２无功功率

交流励磁双馈发电机定子无功功率为：

ｇ＝ｍＩｍ［０。彳］（２．１７）

将公式（２．７）代入公式（２．１７）可以得到定予无功功率的计算式：

’ｇ＝号（吃Ｂ—ｓｘ２Ａ）・Ｕ１２号‰（心ｎ％拙。ｓ哆）。ｕ％（２．１８）上式说明无功功率由两部分组成，一部分仅由定子电压以的大小、转差率Ｓ和电机参数决定，它总是从电网吸收滞后无功，为不可控部分；另一部分取决于定子电压大小、转子电压大小及它们之间相位差角，它是无功功率的可控部分。交流励磁发电机定子无功功率在转差率ｓ一定时，随着转子电压大小和相位而变化，通过控制转子励磁电压大小及相位，可改变交流励磁发电机无功功率的大小和性质。

同理可得，转予无功功率如下：

Ｑ２号（ｚｋ喝《）‘ｕ；一等（－Ａｃｏｓｃｒ２＋Ｂｓｉ峨Ｕ。Ｕ２）（２．１９）１２

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２．３．２．３能流关系

从等效电路出发定量研究转子侧功率平衡关系。按异步电机分析方法，足／ｓ可分解为是＋—Ｏ－＿ｓ）足，呸／Ｊ可分解为叫＋翌号竖，等效电路如图２．５所示：

五仃１恐仃《呸

图２．５等效电路图

从定子方输出的电磁功率可表示为：

匕一聊研一聊半聊＋朋Ｒｅ［Ｕ；Ｉ；’］＋ｍＲｅｌ半啊ｌ（２．２０）Ｊ—ｌＳｌ

其中，兄：＝ｍＲ；／；２：转子绕组铜耗；

罡＝ｍＲｅ［职正‘］：电网通过励磁电源输入到转子方的电功率；

Ｐ．ｅｃ：ｍＯ－ｓ）Ｒ；Ｉ；ｚ：轴上机械功率。

对轴上机械功率所业足Ｅ２，当ｏ＜Ｊ＜１时，该项为负，表示消耗电磁功率并转化机械功率从轴上输出；当Ｊ＜０时，此项为正，表示轴上的机械功率转化为电磁功率。

聊Ｒｅ［旦≠呸Ｅ’］也与轴上机械功率有关，此项为正，表示电机将轴的机械功率转化为电磁功率，此项为负则相反。一朋业《Ｅ：＋历Ｒｅｌ（１－ｓ）Ｕ；Ｉ；・ｌ对应轴上ＳｌＳＩ

的总的机械功率，此项为正，表示轴的机械功率转化为电磁功率，此项为负，电磁功率转化为轴的机械功率输出。由此可见，与传统的异步电机不同，传统的异步机仅由一所（１－ｓ）Ｒ－：Ｉ；ｚ的正负决定其运行在电动状态还是发电状态，而双馈电机可以通过控制删Ｒｅ［堕≥呸Ｅ‘］，使无论转差率ｓ在任何值都可以运行于电动或发

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

机状态。

假如我们定义铜耗为：

圪：＝一叫足２＋ｍＲｅＥＵ；Ｉ；‘］（２．２１）

则有：

厶＝一竺趟罡：＋ＲｅＩ竺职正‘ｌ（２．２２）

ｊＩＳＩ

所以有：

ｌ圪：＝眩

【吃２＝一ｍＲ＇ｌ；２＋最（２．２３）

交流励磁系统输入电机的功率为：

１＂２＝ｍＲｅＥＵ＇ｌ＇２’］＝呢＋肌《Ｅ２（２．２４）

总之，在总的电磁功率中：

（１）当０＜Ｊ＜１，亚同步运行时，呢＞０，最＞０，发出的电磁功率分别由定子原动机、转子励磁提供；

（２）当ｓ＜０，超同步运行时，蛾＜０，ｅ２＞０，这时，转子和定子都从原动机吸收能量。

无论哪种情况下，转子励磁电源功率始终保持为Ｈ尸硎。

双馈电机在运行过程中的几种能流关系，如图２．６一图２．９所示：

（１）转子运行在亚同步速度的电动状态（０＜ｓ＜１）。机械功率由电机输出给机械负载，转差功率回馈给转子外接。如图２．６所示。

图２．６转子运行在亚同步速度的电动状态

（２）转子运行在亚同步速度的定子回馈制动状态（０＜ｓ＜１）。电磁功率由定子回馈给电网，机械功率由原动机输入电机。如图２．７所示。

（３）转子运行在超同步速度的电动状态（ｓ＜０）。电磁功率由定予输给电机，机械功率由电机输给负载，转差功率由电网输给负载。如图２．８所示。

（４）转予运行在超同步速度的定子回馈制动状态（ｓ＜０）。‘电磁功率由定予回馈给电网，转差功率回馈给电网。如图２．９所示。１４

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图２．７转子运行在亚同步速度的定子回馈制动状态

图２．８转子运行在超同步速度的电动状态

图２．９转子运行在超同步速度的定子回馈制动状态

２．４本章小结

本章主要讨论了兆瓦极双馈风力发电机的基本原理，从双馈发电机的结构、运行特点出发引出发电机的基本工作原理。重点是双馈发电机的内部电磁特性，基于双馈发电机的等效电路和相量图来讲述了定、转子电流及电磁转矩的特性。本章难点是双馈风力发电机的功率分析和能量流动平衡关系，它也是全文的关键和难点。

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

第３章１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

双馈风力发电机不可以看作一般的异步电机来设计，参照感应电机的电磁计算步骤，从主要尺寸，定、转子铁心和绕组的确定，工作性能计算等三个方面来研究双馈风力发电机设计的特点与不同。

３．１双馈风力发电机的额定数据和主要尺寸

３．１．１考虑转子接励磁后的极对数

双馈异步发电机的极对数可参照同容量异步电机的选择标准，常采用４或６极。对于双馈发电机而言，由于带转差运行，当发电机转速范围一定时，其极数的选择不是唯一的。为了降低励磁容量，应选择正常转速运行范围内励磁容量最小时的极数。

同时，为了降低电机制造成本，降低电机制造的工艺难度。兆瓦级双馈风力发电机的极数通常采用４极更为合适【７１。

３．１．２气隙的确定

通常气隙万选取得尽可能的小‘８１，在定子输出一定时，建立励磁磁场所消耗的无功功率为：‘

瓯＝ｍＩ：ｘ．＝所砰／Ｘｒａ（３．１）

为减小励磁容量，应减小气隙长度。但气隙也不能太小，否则会产生较大的谐波转矩、谐波附加铁耗、较大的噪声和较高的温升。气隙万的数值基本上决定于定子内径、轴的直径和轴承间的转子长度。

对于大、中型电机，２ｐ＝２～１６，可用下列经验公式求出万：

强口。（Ｈ卦１０－３㈦２）

式中，ｐ。单位为ｍ。

因此，双馈异步发电机的气隙值应在考虑电机效率和制造工艺的基础上，尽可能地取较小值。

３．１．３电磁负荷的确定

电磁负荷越高，电机的尺寸将越小，成木也越低，因此一般希望选取较高的彳和毋值。

应从电机综合技术经济指标出发来选取最合适的爿和Ｂ值１９－１３】，以便制造和１６

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运行的总费用最小，而且性能良好。在考虑到双馈发电机转子接励磁绕组的情况下，电磁负荷的选择有一些需要注意的地方：

（１）从冷却角度看：双馈异步风力发电机在低风速下的运行时间较长，而低风速时电机的散热条件较差，因此选用的Ａ和乓可比相同规格的电机要低；

（２）从材料和绝缘结构的角度看：导磁材料性能越好，绝缘结构的耐热性能越高，电机允许的温升也就越高，电磁负荷可以选高点，磁密也可以高点；

（３）从谐波的削弱和抑制的角度看：谐波电流主要与电机漏抗有关，而漏抗标

』

么值与：ａ＂ｌ成正比由公式（２．１）可以看出，所以当电机转子采用电压型变频器时，

ｂｓ

应选择较大的彳值和较小的Ｂ值，来减小谐波电流；当电机转子采用电流型变频器时，应选择较小彳的值和较大的Ｂ值，来减小谐波电压；

（４）从电机的功率和转速的角度看：由于本文讨论的是兆瓦级双馈风力发电机，是圆周速度较高的电机，其转子与气隙中冷却介质的相对速度较大，因而冷却条件有所改善，彳和展可以选择稍大点。

３．１．４计算功率

３．１．４．１电势系数的计算

电势系数Ｋ￡表示的是额定负载时感应电势与端电压的比值。计算公式如下：

ｋ＝１一占＝互／Ｕ（３．３）

其中互／Ｕ为感应电机定子绕组“满载电势”的标么植。

１一ｓ＝０．８９２＋０．０１０９ＩｎＲ一０．０１ｐ（３．４）

有两种方法可以求出电势系数ｋ，一种是通过基本方程式导出Ｅ的表达式，代入式（３．３）可以求出；另一种是通过学习电机学中公式（３．４），推出占的表达式，代入（３．３）中可以得到电势系统的计算公式。由于双馈风力发电机转子连接励磁，这里讨论第一种方法，由公式（２．２）可知：

驴，＝一丘一五（，ｊ＋Ａ盯）＝一丘一（五尸＋五Ｑ）（‘＋Ａ，）

＝一Ｅ一‘ＪＰ‘一ｊｌ，ＰＸｉ一一厶Ｑ‘一ｙｌ，口五口（３．５）

其中０、五。，为定子电流的有功分量和无功分量。

在一般情况下，玩与皇两相量之间的夹角口≈０，因此，可以近似地认为定子绕组满载相电势Ｅ和外施相电压Ｕ之间存在着下列关系：

巨≈Ｕｉ＋１１Ｐ‘＋１，ｅｘｌ口（３．６）

ｋｆ＝巨／Ｕｉ≈１＋（３．７）由此式可以看出，对于双馈风力发电机而言，巨＞Ｕ，电势系数ｋｒ．＞１。双馈

Ｉ．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

风力发电机的电磁设计程序中，电势系数需要进行迭代，来进行校核。电势系数的计算是基于假定定子电流的有功分量和无功分量的，电势系数的初始假设值的范围符合发电机惯例，建议在１．０５～１．１５左右。

３．１．４．２计算功率

不同类型的电机的计算功率Ｐ，可按给定的额定功率昂来决定，具体方法如下：

ｌ、对于感应电机

ｐｔ生鱼（３．８）

ｑＮＣＯＳ毋Ｎ

２、对于同步发电机

Ｐ，：兰＆（３．９）

ＣＯ￥ｐＮ

对于双馈风力发电机而言，其运行功率特性由风力机的功率特性决定，即在额定转速以下，电机的输出功率小于额定功率，在额定转速以上，电机的输出功率才达到额定功率。对于双馈发电机，主要有三个能源流动，定子输出的电功率、轴上输入的机械功率和转子励磁口的电功率，转子方既可以输入电功率也可以向电网输出电功率。

由２．３．２．３小节可以得到以下两种不同发电的状态：ａ）转子运行于亚同步速度的定子回馈制动状态（０＜ｓ＜１），电磁功率由定子回馈给电网；ｂ）转子运行于超同步速度的定子回馈制动状态（Ｊ＜０），电磁功率由定子回馈给电网，转差功率回馈给电网。

现在讨论一下，在两种不同情况下，双馈发电机的计算功率表达式。由第二章可以了解到，由公式（２．２４）表示交流励磁系统输入电机的功率为：

最＝ｍＲｅ［“Ｅ．］＝呢＋ｍ碍Ｅ２，令最＝ｏ，可以得到双馈异步发电机的一个临界转差率即：

旷州譬（３．…

（１）当ｌ＞ｓ＞Ｓ。时，电机处于发电状态，从定子方输出的电功率只＞０，转子励磁系统从电网吸收电功率，励磁系统输入电机转子方的功率只＞０。计算功率为：

∥：监（３．１１）

ＣＯＳ妒Ｎ

（２）当ｓ＜Ｓ。时，电机处于发电状态，电机从定予方输出的电功率弓＞０，励磁系统输入电机转子方的功率只＜０，即励磁系统将转子方输出的电功率回馈给电１８

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网。计算功率为：

Ｐ：盟（１一Ｊ）（３．１２）

ＣＯＳ－，ｖ

由公式（３．１０）可以看出，通常对于双馈风力发电机而言，其运行功率特性由风力机的功率特性决定，只有在额定转速以上，电机的输出功率才达到额定功率。因此在求双馈风力发电机的电磁计算功率时，应按公式（３．１２）来计算。３．２铁，ｂ槽形和绕组的选择

３．２．１定子铁心和绕组的设计

３．２．１．１定子槽数的选择

在极数、相数既定的情况下，定子的槽数取决于每极每相槽数ｇｌ。因此选择槽数应对各方面的因素进行综合考虑。对于兆瓦级双馈发电机而言，电机的极数少，电流大，容量大，功率大，ｇｌ可在２－６间选择（功率较大的二级电机ｑ。可达６～９）。而且ｇｌ尽量选取整数，因为分数槽绕组容易引起噪声和振动。

３．２．１．２定子绕组形式和节距的选择

ａ）绕组形式

通常在异步发电机中的定子绕组会选用双层叠绕组或是混合绕组，来有效地消除或是削弱某次谐波：

混合绕组不仅有效地消除或是降低某次谐波，而且能提高基波分量的绕组系数，效果显著。但是，它的绕组连线复杂，增加了工艺制造的难度，应用时需要综合考虑。

双层叠绕组由于每相的极相组数等于极数，所以双层叠绕组的最多并联支路数ａ等于印。实际支路数ａ通常小于印，且印必须是口的整数倍。其优点是，短矩时端部可以节约部分用铜量；端部排列方便；线圈尺寸相同，便于制造；可以调节合适的节距来改善磁势和电势波形，电机的电气性能也较好。缺点是一台电机的最后几个线圈的嵌线较为困难；另外，极间连线较长，在极数较多时相当费铜。叠绕组线圈一般为多匝，主要用于一般电压、额定电流不太大的中、小型同步电机和感应电机的定子绕组中。

综合考虑，兆瓦级的双馈发电机选用双层叠绕组更合理。１９

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

２ｌ２９３０

霾蕊新翟营譬翟营曹．｝Ｉ《Ｅ；ｌ

图３．１双层叠绕组单相展开示意图

ｂ）绕组节距的选择

由于双馈发电机转子接励磁绕组，它本身类似于一特殊的谐波源，所以绕组节距的选择也要从抑制谐波的角度出发。

在正常感应电机中，在选取双层绕组的情况下节距的选择应从电机具有良好

Ｃ

的电气性能和节约导线材料的两方面来考虑。通常选取ｙ＝导ｒ（短距ｙ＜ｒ）以便Ｏ

削弱磁势的５次和７次谐波分量。

３．２．１．３定子冲片的选择

由于接了励磁绕组，为了减少齿谐波，双馈风力发电机的定子通常采用开口槽。这是因为线圈的主绝缘需要在下线以前包扎好并进行浸烘处理。这种槽形的槽壁是平行的，因此也称为平行槽。开口槽增大了气隙磁场中的磁导齿谐波分量，为了避免因此引起较大的空载附加损耗，可采用磁性槽楔，但此时槽漏抗将增大ｏ．可以考虑定子采用斜槽来抑制齿谐波，虽然增加了铁心叠压的工艺复杂性，但有利于电机的并网操作。

３．２．２绕线转子铁心和绕组的设计

３．２．２．１转子槽数的选择

绕线转子感应电机的转子绕组通常是对称的三相绕组，线圈的节距接近或等于基波的极距，因此定子谐波磁场一般不会引起较大的附加转矩。并且为了抑制高频谐波，转子上可以安装阻尼绕组。

同时，为了减小噪声和振动，一般应采用整数槽绕组。同时，在选择转子槽数时，还应考虑转子开路电压的控制数字，故槽数不宜太多。一般建议选择ｑ２＝ｑｌ±ｌ。

３．２．２．２转子绕组的特点

功率较大的电机的转子绕组都采用双层整距波绕组，以省去线圈极间连线，并使转子容易达到机械平衡。为了减小齿谐波，转子采用半闭口槽，槽口部分采

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用磁性槽楔来进一步减小槽开Ｅｌ以及由此引起的气隙磁导变化和齿谐波。其并联支路数ａ通常为１或２，波绕组在绕线型感应电机的转子和大、中型水轮发电机的定子中获得广泛的应用。

图３．２双层波绕组单相展开示意图

３．３工作性能的计算

３．３．１转子励磁电压和转子励磁容量的计算

３．３．１．１转子励磁电压的计算

转子励磁电压的定义为交流励磁发电机在额定运行时，转子励磁绕组上所需要施加的电压。在进行双馈风力发电机的电磁计算时，是在满足电机设计任务书的要求的情况下，去计算转子励磁电压的。转子励磁电压的大小可由相量图中和基本方程式中的电压、电流的相位关系来求得。

图３．３电压、电流的相位关系

参照第二章中的相量图２．３，以阢为基准，令其玩＝ＵＺＯ，由于％（‰，忽略名，做出相量图如图３．３所示。可以得出：

０；／ｓ＝以＋Ｊ『。乏＋１。２之（３．１３）

由公式（２．５）可以得出：

厶’：霉盟＋，。（３．１４）

Ｊｘｍ

将公式（３．１４）代入公式（３．１３）可以得到：

２ｌ

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

略ｍ妣＋ｓ（警＋五ｐ（３．１５）

化简后可以得到折算过后的转子励磁电压表达式：

以＝（叫Ｐ＋凰Ｑ＋川）＋．，（一川Ｐ＋吼Ｑ＋三ｕ）（３．１６）

其中，参数Ｇ、日、，、工的表达示为：

Ｌ＝一ｒ２Ｉｘ．

Ｊ．＝ｓ，ｘ２Ｇ＝（吒＿＋蹋屯）／‰Ｉｘ－、，（３．１７）～““

日＝（＿，ｉ吒一踊恐叮一踊，ｘ－）／ｘ－

根据上式算出的转子电压值为电机由转子侧折算到定子侧的值。记折算前的转子励磁电压为：

Ｕ；＝七％（３．１８）

肌扣鬻

式中：嘶、％分别为定、转予每相串联匝数；

ｋ、ｋ：分别为定、转子绕组系数。

３．３．１．２转子励磁容量的计算

双馈异步风力发电机的转子侧所接的励磁变频器，其励磁容量的大小直接关系到整个风力发电系统的经济成本。因此励磁容量的计算非常重要。

一㈦…可㈣㈦，：塞一丽ｊＸｍＵｌ，由此…出：

昱＝ｍＲｅ［攻纠（３．１９）

广・・１

０２＝ｍｉｒａｌ“引（３．２０）

是＝√乎＋ｇ（３．２１）

据相关资料统计，双馈异步发电机的调速范围一般为额定速度的１０％～２０％，通常情况下，转子励磁容量在定子输出功率的２０％左右。

３．３．２定子稳态短路电流的计算当双馈异步发电机在稳定状态下运行时，其等效电路如图２．３。在定子侧短路

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时，考虑到激磁支路的阻抗远大于漏阻抗，‰＋心＞‘＋Ａ，可进行简化等效电路，取消激磁支路，从而得到双馈发电机的定子稳态短路时的简化等效电路：

五∥厂ｌ爱矿巧／ｓ

Ｕｔｌ｜ｓ

图３．４双馈发电机的定子稳态短路时的简化等效电路

如上图３．４所示，可以得到定子稳态三相短路电流：伽而耘

△ｕ：坠坐×１００％

ＵＮ㈦２２）３．３．３电压调整率电压调整率是发电机最重要的性能指标之一，其数值完全由发电机本身的固有特性所决定。交流励磁发电机的电压调整率定义和传统同步发电机的电压调整率定义相似‘１４～１６１，它是在保持励磁电压和转速不变而负载变化时所出现的电压变化的情况下，当发电机负载从额定负载到空载时，空载电压“与额定电压之差占额定电压的百分比：（３．２３）

式中Ｕ为每相输出电压；

ＵⅣ为每相额定电压。

（１）当空载时，五＝ｏ：由基本方程式可知之＝Ｌ、以＝一矗即此时计算发电机的电压调整率，只需要计算出感应电势应，就可以在保持额定励磁电压不变的情况下计算发电机的空载电势。如图３．５所示。

空载感应电势丘，在主磁路非线性的情况下，不可能直接用解析式表达。在电机的电磁设计中通常采用迭代法来进行求解和验证，其求解流程如图３．６所示。

（２）从额定负载到空载时，五≠０：由基本方程式可知丘＝五＋Ｌ即厶＝之一五，激磁电流将随着定予电流的减小而增大。对于交流励磁发电机，由于励磁电压和转子方的感应电势都将影响转子电流，因此在电压调整率的计算中将考虑转子电流变化的影响。

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

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Ｌ：≠

ｊｘ＿

Ｅ＝厶＋‘（３．２５）

厶＝扣州扩枫）＋乏ｋ心‰一翔

式中ｘａ＝西，＋‰，屯＝吃寸＋‰。

３．定子侧有功无功功率

Ｐ咄（丝’＿聊‰（３．２６）

ｌｇ＝朋Ｉｌｌｌ（ｑ亓）＝一聊ｕ‘Ｑ一…。

４．转子侧有功无功功率

｛罡＝圪ｚ¨（曼＋圪¨（３．２７）

ＩＱ＝Ｑ２口＋Ｊ（９ｌ＋ｇ占＋Ｑ）、

式中：兄。＝脚吒矸、匕：＝朋吃后：分别为定、转子绕组铜耗；

ｇ占＝嘲万矸、ＱＪ＝ｍｓｘ２ＪＥ：分别为定、转子漏抗所消耗的无功功率：

Ｑ＝‰艺：励磁电抗所消耗的无功功率。

５、定、转子有功功率之和

％＝墨千昱（３．２８）

由于双馈发电机转子接电网，所以它不同于一般的发电机只有定予向电网供电的情况，交流励磁双馈发电机还有定、转子同时向电网供电的情形。因此，在同步转速以下，定子发出有功功率异＞０，转子吸收有功功率只＜０，此时定转子有功功率之和为％＝日一￡；在同步转速以上，定子发出有功功率鼻＞０，转子发出有功功率昱＞０，此时定转子有功功率之和为‰＝暑＋最。

３．３．５损耗及效率

双馈异步发电机中的损耗主要包括机械损耗、附加损耗、铁耗、铜耗和谐波损耗。由于双馈异步发电机转子端励磁电源的存在，效率计算不仅要考虑定了端的功率，还要考虑转子端的功率。由上一节的讨论可以得出以下的电机定、转子功率传递关系。

定子侧功率方程：

￡＝脚Ｒ（丘‘）＝名。＋弓

￡。Ｉ＝ｔｏｒｔｌｌ２（３．２９）Ｅ＝所兄（矽。Ｊ『ｊ）＝所ｕ。‘ｃｏｓｔｐ，

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

转子侧功率方程：

胫２毛ｚ怕（皇＋吃¨、（３．３０）

ＩＱ２＝Ｑ２口＋ｓ（Ｑ＋ｇ占＋绋）

根据电机设计的基本概念，发电机额定负载时的效率可用下式进行计算：

％＝－－一１器］㈣３－，

式中Ｒ——电机额定输出功率：

罗Ｐ——电机在额定负载时所有损耗之和。

本文中对双馈异步发电机的能源流向和功率平衡关系的分析，可以知道：（１）转差率Ｊ≥０时，需要向转子绕组馈入电功率只，此时发电机额定输出功率为昂＝丑一忍；

（２）转差率ｓ＜０时，定、转子同时发电，转子发出的电能经双向变流器馈入电网，此时发电机额定输出功率为目＝暑＋县【２２＿２５１。

综上所述，双馈风力发电机的效率计算公式如下：

Ｆ一Ｐ

石ｐ硒ｐ砭

式中，∑尸为所有损耗之和；

∑ＪＰ＝圪＋如＋￡＋％＋∑尸。。’

只为电机的附加损耗；％为电机的通风和摩擦损耗，通常为额定功率的ｏ．０１％；∑ＰＩ为电机的谐波损耗。

３．４针对１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

３．４．１主要计算模块及其流程图

双馈风力发电机的电磁计算模块主要包括以下几个方面：主要尺寸和气隙计算；磁路尺寸、公用系数计算；各种参数的计算；铁心重量计算；电机铜耗及铁耗、等效电路参数计算和温升等工作性能的计算。还包括了几个迭代过程：校核电压调整率时，进行空载转予电流的迭代；校核气隙磁密最大值瞑和齿部磁密Ｅ。、Ｅ，时，进行饱和系数Ｋ。的迭代；电校核有功功率时，定子电流有功分量，ｌ，的迭代：电势系数ＫＥ的迭代。由于空载转予电流的迭代在第三章ｒｌｌ已经讨论过了，

２６

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在此不再重复，以下主要讨论饱和系数Ｋ，的迭代、电势系数ＫＥ的迭代和定子电流有功分量厶Ｐ的迭代这三种。

ｌ、饱和系数Ｋ，的迭代，首先初设饱和系数Ｋ：，求出磁路每极磁通，气隙磁密以及定、转子齿部磁密，接下来求出气隙磁压降和定、转子齿部磁压降，根据求出的磁压降，可以解得计算值饱和系数Ｋ，判断计算值与初设值的误差是否小于ｌ％，否则重新设置饱和系数Ｋ：ｒ，重新计算。其流程图如图３．７所示：

准备

假设定子电流

分量

任务书上提供的功率因素

定子电流的无功分量

系统总的有功功率

Ｉ】，

图３．７饱和系数迭代流程图图３．８定子电流有功分量五，的迭代流程图

２、校核有功功率时，定子电流有功分量‘Ｐ的迭代，首先假设定子电流的有功分量‘Ｐ；根据设计任务书上提供的功率因素ｃｏｓ仍Ⅳ，得到定子电流的无功分量‘Ｄ；根据等效电路计算出系统总的有功功率；判断计算出的系统总有功功率是否满足设计任务书上的有功功率的要求，若不满足就再返回重新假设，进行新一轮迭代；有功功率迭代完成以后再进行转子电压相量玩的幅值和相位、转子励磁容量等其它电机性能的计算。流程图如图３．８所示。

３、电势系数ＫＥ的迭代，不仅包括整个磁路计算，而且还包含部分电路的计算。首先需要假定一个电势系数Ｋ，求出已经变化了的励磁电流Ｌ，再求出感应电动势丘，根据感应电动势求出电势系数的计算值Ｋ：，判断电势系数的计算值Ｋ：与假定值ＫＥ的误差是否为负，且小于ｏ．５％，若不满足就再返回重新假设，进行新一轮迭代Ｉｓ，２６－３０】。具体流程图如图３．９所示。

４、主程序流程图

根据文中的讨论，并参照大中型异步电机的电磁设计程序，可得到双馈异步发电机的电磁设计程序除了几个计算模块之外，还有几个迭代，电磁计算模块流程图如图３．１０所示。２７

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

图３．９电势系数的迭代流程图图３．１０主程序流程图

３．４．２用双馈风力发电机设计软件进行实例计算及结果分析

３．４．２．１软件及设计系统的介绍

该软件是利用计算机辅助设计（ＣＡＤ）技术设计出的双馈风力发电机的电机设计软件佟１。设计系统的结构框图如图３．１ｌ所示：

登电电双卜、

∥－设计结果查询

陆主机计机馈

卜卜、卜、

窗∥窗∥数，程电风

体．体据序磁力

库设发卜

∥输出特性曲线

图３．１１设计软件系统的结构框图

３．４．２．２电磁设计软件的部分设计界面

建立在ＶＢ６．０基础之上的双馈风力发电机设计软件，是一款进行电磁设计的软件。它主要包括了以下几个方面：额定参数、冲片参数、槽形尺寸、定子参数和转予参数。下面就给出主要的设计参数界面，如图３．１２．图３．１６所示。

图３．１２额定参数界面图３．１３冲片参数界面

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图３．１４槽形尺寸界面３．１５定子参数界面

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图３．１６转子参数界面

３．４．２．３计算结果和性能

由上－－４，节可以得到，计算后的性能参数和详细结果，如图３．１７所示。具体的计算结果见附录Ａ。

图３．１７性能参数界面

３．５１．５ＭＷ双馈风力发电机的有限元分析

所谓有限元分析法，就是将整个区域分割成许多小的子区域，这些子区域通常称为“单元”或是“有限元”，将求解边界问题的原理应用于这些子区域巾，求解每个小区域，然后把各个小区域的结果总和起来得到整个区域的解。电机的有限元分析，也是这个道理。

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

３．５．１软件的介绍

ＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌ作为世界著名的商用低频电磁场有限元分析软件之一，在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用。

Ａｎｓｏｆｔ新版中，除了二维、三维电磁场计算外，还嵌入了ＲＭｘｐｒｔ电机分析模块，该模块正是基于等效电路和磁路的计算方法【３１１。除此之外的另一重大更新是引入ＲＭｘｐｒｔ模块与二维和三维的无缝链接技术，用户可将ＲＭｘｐｒｔ中计算完的模型直接送入到有限元计算中。ＲＭｘｐｒｔ电机模型导入到二维瞬态场中，软件会自动加载几何模型并定义各部分材料，同时给出电机的边界条件、激励源和网格剖分等，其默认的分析数据是电磁转矩和电流在时间上的变化规律。基本上形成了从ＲＭｘｐｒｔ到Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ的一键式操作。

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分是根据场域的几何结构来进行的，自适应剖分是在此基础上根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加其剖分密谋的调整。

３．５．２．２后处理结果及分析

ｌ、电机瞬态场计算结果及其分析

这里进行分析的是瞬态计算模型，对应的计算为转子在额定转速时的运行。此时，电枢绕组所加激励不能为一个定值，在分析双馈风力发电机时，由其结构可知，除了定子接外电路之外，转子还要接三相对称励磁电压或电流【３２１。图３．１９即为双馈风力发电机在额定转速点的磁密分布图。

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图３．１９双馈风力发电机额定转速点磁密分布图

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，它的具体操作办法是，在定子开路的运行情况下，此时的运行工况称为双馈发电机的空载运行。为了模拟发电机的空载运行，可以在仿真环境中，给定子绕组接一个大电阻，例如２ＧＱ。空载回路图如图３．２０所示。

图３．２０空载回路图

由分析结果可知，定子电流最大幅值很小，近似为零，因此，电压值可以近似地看成是空载电压值。如图３．２１．图３．２３所示。

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

图３．２ｌ转速图３．２２空载电流

图３．２３空载电压

、结

描述的是１．５ＭＷ双馈风力发电机的基本设计和有限元分析。参照大

设计原理和步骤，结合双馈发电机转子接励磁的特点，着重讨论了

代，有功无功的校核，定子电流有功部分的迭代，转子励磁电压、

稳态短路电流的计算和效率和损耗的准确算法。接着给出了额定参

指标，讨论了主要计算模块、迭代过程及其流程图。然后用软件对

单设计。重点在于电磁场求解后处理，以及兆瓦双馈风力发电机的

它包括电机几何模型的建立，电机网格的剖分，仿真结果及分析，

机空载特性仿真及分析，电机稳态静磁场仿真结果及其分析等几个

双馈风力发电机的设计优化和电磁场分析。３２

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第４章１．５ＭＷ双馈风力发电机的结构设计和机械计

—＾～异

电机结构与制造工艺之间有极其密切的关系。在设计结构时，除要满足运行性能要求外，还应考虑生产的经济效果。

４．１电机零部件的技术要求

电机零部件的制造质量对电机质量的影响很大。机械加工的任务就是使零部件具有规定的加工精度和表面粗糙度。因此机械ＮＩ是电机制造工艺中的一个很重要的组成部分。

４．１．１铁心制造的技术要求

４．１．１．１铁心冲片的技术要求

按照铁心冲片的形状的不同，铁心冲片分为圆形冲片、扇形冲片和磁级（铲形）冲片‘３３～３４１。本文中发电机的定、转子冲片均选用的是圆形冲片，如图４．１和图４．２所示。对铁心冲片的技术要求如下：

（１）尺寸精度要符合图样的规定。铁心冲片上有多种尺寸，但可归结为内部尺寸和配合尺寸两种。内部尺寸如槽形尺寸、通风孔、标记槽和磁极冲片上的各种孔径等，一般采用Ｈ１０精度等级，更高的精度是不必要的。配合尺寸，如铁心尺寸、铁心内圆以及轴孔等要与其他零件配合的尺寸，其精度等级与所采用的加工工艺有关。

（２）形位偏差要符合图样规定。定子冲片内圆与外圆的同轴度不应超差。（３）齿槽分布要均匀。槽分布要准确，最大与最小齿宽之差应符合图样规定。否则，将导致磁路不平衡。

（４）冲片厚薄均匀，表面平整，冲裁断面上的毛刺小。

（５）冲片表面上的绝缘层应薄而均匀，有良好的介电强度、耐油和防潮性能。４．１．１．２铁心的压装工艺

铁心压装的任务就是将一定数量的冲片叠齐、压紧并紧固成一个整体。铁心的重量、长度和压装压力都是压装工艺参数。常用的压装方法是以铁心重量为主，压力控制在一定范围之内，而将铁心压紧到规定的长度。在达到规定长度时，如果压力超过容许范围，则适当增减几张冲片。这样既能保证铁心的长度和重量，

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

又可使铁心达到适宜的紧密度。

铁心压装后的尺寸准确度和表面整齐度，主要取决于压装工具的结构和精度。铁心压装时，必须用槽样定位，以保持槽形整齐，定子铁芯如图４．３所示。

在电机运行时，铁心要承受机械振动与电、磁、热的综合作用，对铁心压装的技术要求如下：

（１）铁心的质量应符合设计值，一般容许偏差为．１％－３％。

（２）紧密度适宜，在受到机械振动和温升作用下，不致出现松动或变形。（３）几何尺寸准确，表面整齐。

（４）形位误差要小。

（５）由扇形冲片组成的铁心叠装时，必须使冲片按规定交叉叠放，片间无搭接现象。

（６）良好的片间绝缘性能，以减小铁心的涡流损耗和避免局部过热。（７）铁心冲片周边上的剩余毛刺应朝同一方向，以免发生片间短路。

１栏坝士学位论文

（２）线圈尺寸形状应符合设计要求，线圈成型后，其形状尺寸应符合图样要求，线圈边间的距离及其所构成的角度必须准确，否则会造成嵌装困难或绝缘损伤。

（３）线圈绝缘的可靠性要高，绕组绝缘结构与材料应满足耐电、耐热、耐机械振动与环境条件的要求。匝间及对地绝缘应无损伤和缺陷。

（４）工艺方案要合理，工艺方案的选择，应力求节省工时，降低成本和减轻劳动强度。

４．１．２．２绕组嵌装的技术要求

（１）绕组的节距、联接方式、线圈匝数、引出线与出线孔或换向器的相对位置必须正确。

（２）绝缘可靠。绝缘材料及结构应符合规定。在嵌装过程中应防止绝缘损伤，尤其应防止槽口、通风沟边缘、端部鼻端及角部等处绝缘的损伤。嵌入槽内的导线应无严重交叉。

（３）绕组两端应对称，端部的长度和内径须符合规定。线圈端部应排列整齐。（４）槽内导体及端伸部分均需紧固。

（５）线圈接头等的焊接质量要可靠。

（６）严防铁屑、铜末或焊渣等混入绕组。彩［西弋ｉ。；庐一

图４．４定子线圈

，，

图４．５转子线圈

４．１．３有绕组的定子铁芯

嵌入绕组后的定子铁芯的技术规范如下，如图４．６所示：

１）接法：４Ｙ，跨距：１．１６；

２）浸漆后定子铁芯内外表面需清理干净：

３）定子绕组每相连一个铜功：，剩下一个铜环连接三相的星点；

４）连完后用云母带和玻璃丝带将它们包好；

５）定子绕组每相一个铜环上焊接四根引接线与定予接线板相连。３５

１．５ＭＷ双馈风力发电机的设计

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图４．６有绕组的定子铁芯

４．１．４装配

电机产品的质量，一方面取决于零部件的加工质量，另一方面在很大程度上也取决于装配质量。因此，在装配过程中，必须严格按照装配的技术要求和装配工艺规程进行，以确保电机的装配质量。１．５ＭＷ双馈风力发电机的总装图如图４．７所示，电机装配的主要技术要求包括：

Ｉ出线；

如热带据需要