16MW海上半直驱风力发电机多相绕组设计及仿真研究
Design and Simulation Research on Multiphase Windings of 16MW Offshore PM Synchronous Wind Power Generator with Medium to High Speed Gearbox
周翔，张宙，戴玥
（上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240） 摘要：基于16MW级大功率海上半直驱风力发电机的特殊性，以一台16MW半直驱永磁风力发电机电磁设计为例，借助ANSYS Maxwell有限元软件建立二维有限元模型，分析了多绕组移相设计的必要性，对比研究了多绕组移相与传统三相绕组在空载特性、负载特性下各参数性能。同时基于海上尤其是深远海可靠性运行要求，研究风力发电机在容错运行工况下的波形特性，最后对发电机在单套绕组三相、两相短路工况下计算校核退磁情况。本文设计过程、方式方法及故障分析为后续大容量半直驱产品开发提供了一定的经验借鉴。
Abstract: Based on a 16MW high-power offshore permanent magnet wind power generator, the 2D finite element model was established using ANSYS Maxwell finite element software. The necessity of the projects on phase difference between multi-windings was analyzed, and the performance of several parameters under unload and load characteristics between poly-phase winding and traditional three-phase winding was compared and studied. Moreover, the waveform characteristics of wind turbines under fault-tolerant operating conditions are studied. Finally, the demagnetization rate of the generator was calculated under short-circuit conditions. The design process, methods, and fault analysis provide certain experience and reference for the subsequent development of high-power permanent magnet wind power generator.
关键词：风力发电机；多绕组移相；容错运行；短路；退磁
Keywords: Wind Power Generator； Phase Difference Between Multi-windings；Fault-Tolerant Operation； Short-Circuit；Demagnetization 0 引言
自“双碳”目标提出以来，我国风电市场，尤其是海上风电发展加速，海上风电单机容量大型化趋势已定，特别是扩展到深远海风电单机容量同时在持续增大。在“十四五”能源规划的“风电重点任务”中，也特别提到要突破深远海域海上风电开发及超大型海上风电机组技术；开发15MW及以上海上风电机组整机设计集成技术；开展轻量化、紧凑型、大容量海上超导风力发电机组研制及攻关。
半直驱风力发电机因具有结构紧凑，体积较小，整机传动效率高，运输方便等显著特点，较直驱具有明显的成本优势，而备受国内外多家头部整机厂的青睐，随着海装的16MW机组下线，电气风电的16MW机组发布，到远景的14MW机组批量投产，已表明了发展方向。
本文以一台16MW海上半直驱风力发电机为例，对比研究发电机多绕组设计及移相设计方案的性能优势，探讨了容错运行及极限工况下短路运行的性能，并通过有限元分析验证设计方案的合理性。
1 16MW半直驱风力发电机结构参数
本文以一台16MW级半直驱永磁风力发电机为设计目标，其主要参数如下表1所示。本文采用ANSYS Maxwell有限元仿真软件对16800kW半直驱风力发电机进行建模仿真分析。
表1 半直驱永磁风力发电机样机主要电磁参数
参数 数值 参数 数值
槽数 288 极对数p 12
频率/Hz 116 绕组类型 双层短距
定子内径/mm 2500 铁心长度/mm 660
定子外径/mm 2850 磁钢牌号 45SH
发电机额定电压/V 1380 发电机效率/% ≥98
就结构对称性而言(暂不考虑多套绕组设计差异化)，发电机模型可简化为单元电机模型如下图所示。发电机采用类凸极永磁转子结构，将永磁体封装于转子冲片内部使其达到所要求的防护等级。
图1 单元电机模型
由于发电机外径参数及电压等级限制，发电机设计通常采用窄深槽形，同一槽内每匝线圈采用多根导体并绕，这些并绕导体内将产生环流损耗，再加以漏磁作用在不同深度槽内导体中形成的涡流从而导致的集肤效应[1]影响，尤其是考虑到发电机频率较高，以上多重因素相互影响，使得发电机的附加铜耗过大，直接影响到效率及温升。综合考虑，采用将三相拆分为六相（移相设计）的方式进行方案设计。
2 发电机性能分析
2.1 空载特性分析
在额定转速下，将发电机分别采用六相电机（双Y移30°）及三相电机（Y0）的设计方案分析空载反电势，分别得到六相电机及三相电机线空载反电势波形及各次反电势谐波幅值占基波幅值的百分比，分别见下图2，图3。图中，带数字标号的电压为六相电机各线空载反电势波形，无数字标号电压为传统三相电机各线空载反电势波形。
图2 线空载反电势
图3 线空载反电势谐波含量占比
通过对比，六相电机较三相电机空载反电势中的5，7次谐波含量更多，因本设计方案中采用的节距为10较大，而六相电机中每极每相槽数为2较小，对5，7次谐波削弱作用较三相电机为弱；但六相电机的绕组系数更大，其反电势基波幅值更大，绕组利用率更高。
2.2 负载特性分析
在满足额定负载功率要求下，采用MTPA控制策略，同尺寸的电机分别采用六相绕组与三相绕组设计时的转矩性能、损耗性能及电压电流对比见下表2。其中，转矩脉动百分比为转矩峰峰值比上平均转矩，用以表征转矩脉动性能。
表2 负载性能对比
参数 六相电机 三相电机
电压 / V 1380 1380
电流(单套绕组) / A 1925 1972.5
电磁转矩 / kNm 281.8 281.8
转矩脉动 / % 1.05 1.61
电流密度 / A/mm^2 3.38 3.46
铜耗 / kW 60.5 63.5
铁耗 / kW 104 107.3
效率 / % 98.20 98.11
可见，相同的外径、轴长及极槽配合的设计，在相同的额定转矩条件下，采用六相绕组设计比三相绕组设计的转矩脉动减小34.8%，且铜耗减小4.72%，铁耗减小3.08%。
图4 额定转矩谐波数据
上图4为额定转矩谐波数据，六相电机较三相电机的6次及18次谐波几乎完全被消除，可见六相绕组设计消除了5，7次谐波磁动势，也侧面验证了六相电机转矩脉动改善的结果。
3 容错特性分析
风力发电机特别是海上风力发电机对可靠性要求很高，具有容错性能的双绕组电机甚至是四绕组电机是个不错的选择。本节针对四绕组六相发电机单绕组容错运行进行研究对比分析。假设绕组1故障，自动切除，其余绕组三套正常运行，实现发电系统容错运行。下图5为一对极下定子绕组切除其中一套绕组的示意图，切除套绕组画叉表示。
图5 四绕组切除一套示意图
下图为容错运行及正常运行情况下，采用MTPA控制策略下的转矩对比图。
图6 转矩对比图
由上图对比可见，容错运行条件下，转矩均值为213.91kNm，转矩占比为75.8%，达到70%比例值要求，而容错工况下，因绕组间项目影响，其转矩脉动为2.59%，较正常额定状态增加了一倍多，但仍然满足小于3%的要求值。
图7 电压谐波对比图
上图为缺相电机和正常电机采用均采用MTPA控制时，额定状态下的电压谐波对比。可见，缺相运行的电机电压基波幅值增加，波形畸变率（谐波THD）为2.18%，较正常电机1.97%的THD增加了10.6%。由于正常电机设计优化谐波含量较小，缺相运行后谐波含量增幅仍满足要求。
4 短路特性分析
半直驱风力发电机在运行过程中极端情况下会存在短路故障工况，如前期设计方案不合理，将导致永磁体不可逆退磁。所以，对发电机方案进行退磁校核很有必要。考虑到海上特殊的运行工况及大功率等级的运行可靠性问题，16MW级半直驱发电机采用四套绕组中性点非直接连接设计，从而减小多套绕组同时短路的故障率。本章节分析计算极限高温运行时单套绕组在最恶劣故障时刻发生三相短路及两相短路的情况。
下图8-图10为高温下三相短路退磁分析得到的转矩、电流、电压曲线的原始仿真数据。模拟A1相电压为零时发生一套绕组三相短路情况，并在发电机运行一周期后恢复正常运行。
图8 三相短路转矩 图9 三相短路电流
图10 三相短路线电压
上图波形中看出，极限工况下发生三相短路，其短路时间段Ua1b1，Ub1c1，Uc1a1电压为0，其他三套绕组电压受干扰波动；转矩损失为0.13%<1%，满足设计要求。发电机最大短路转矩为390.63kNm，最大短路电流为21.1kA。
下图11-图13为高温下两相短路退磁分析得到的转矩、电流、电压曲线的原始仿真数据。模拟A2B2线电压为零时开始一套绕组发生两相短路情况，并在发电机运行一周期后恢复正常运行。
图11 两相短路转矩 图12 两相短路电流
图13 两相短路线电压
上图波形中看出，极限工况下两相短路，短路时间段Ua2b2电压为0，其他三套绕组电压受干扰波动；转矩损失为≈0%<1%，满足设计要求。发电机最大短路转矩为512.13kNm，最大短路电流为18.72kA。
5 结论
由分析结果表明，16MW级大功率半直驱风力发电机通过拆相带的方式，设计成六相绕组形式，可提高绕组利用率，在额定负载工况下性能表现优异，转矩脉动较三相电机减小34.8%，且铜耗减小4.72%，铁耗减小3.08%，提高了发电机效率并降低温升；发电机在特殊的容错运行工况下，四分之三套绕组MTPA运行时，发电机容量可达75.8%，且谐波值控制在合理范围内；发电机在三相、两相短路工况下，退磁均在要求范围内。由以上结果知，该大功率半直驱风力发电机电磁设计思路、方法总体可行，为大MW等级海上半直驱发电机产品开发积累了宝贵经验，也为后续样机制造及投产奠定了理论基础。
参考文献
[1] 陈世坤.电机设计[M]. 北京：机械工业出版社，2000.
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