王晓明1 俞文斌2
西安中车永电捷力风能有限公司 陕西 西安 710016
中车永济电机有限公司 山西 永济 044502
摘要：随着经济和科技的快速发展，风能作为一种清洁、可再生能源，近几年受到了越来越多的关注，而海上风电是风力发电的重要领域。中国海上风电项目的施工速度加快、欧洲市场进一步的成熟发展将成为海上风电主要推动力。近几年在装机的大型海上风机功率已经达到了7-8MW，而大功率风机则意味着发电机的重量、效率、可靠性和发电成本的改变。同时发电机作为一种成熟的工业产品，在常规的电机结构基础上进行电磁优化空间有限。三相中速永磁风力发电机，谐波含量小，转矩脉动小，可靠性高，转矩输出高。。
关键词:永磁风力发电机;电磁特性;温度特性
引言
近年来，我国海上风力发电取得了巨大的综合效益。为进一步促进海上风力发电实现良好发展，要高度重视海上风力发电机设计技术，尤其是中速永磁风力电机设计，该型电机以其独特的结构优势，综合了双馈电机传动比高及直驱电机可靠性高的优势，确保发电机组实现良好运行，大幅度提高海上风力发电质量和发电效率。
1永磁中速风力发电机的设计
1.1空载运行下电机齿槽转矩分析
永磁电机转子转动引起气隙磁场变化，进而引起磁场能量的变化导致转子产生脉动，齿槽转矩脉动将直接影响永磁电机启动性能，因此本文基于ansoft软件对不同极槽数发电机性能进行研究，分别对132极/594槽，130极/624槽，140极/480槽和132极/432槽齿槽转矩进行对比计算。齿槽转矩是由永磁体与定子齿间作用力的切向分量所形成。齿槽转矩会带来振动和噪声，增大传动链疲劳效应，降低机组运行寿命。有针对性地采用斜极和短距等综合措施，在基本不增加电机材料成本的情况下，大幅降低齿槽转矩，优化电机性能。发电机在故障状态下的过渡过程，涉及到电机对故障的承受能力及疲劳损伤程度。采用场路耦合时步有限元法，充分考虑机械运动、材料非线性、转子涡流对瞬态过程的影响，提高电机运行寿命设计的准确度。
1.2温度特性分析
发电机的温升对于其安全可靠的运行尤为重要。该电机为大功率永磁半直驱风力发电机首次采用空－空冷却措施，与传统的定子水冷或者空－水冷却相比，空－空冷却发电机的经济性好，但对发电机的冷却结构提出更高的要求。为了准确计算发电机的温度特性，分别采用三维有限元和Motor-CAD对电机进行分析。三维有限元模型完全基于电机的实际结构尺寸进行建模，在不影响计算结果的前提下，对模型作适当简化。为了保证工程所需精度，该算例的网格在保证计算精度、计算耗时及稳定的前提下，选用合适边界层网格疏密度以及对应的k-ε湍流模型。
1.3交替极永磁风力发电机结构设计
考虑到电机的功率输出和容错能力，该新型拓扑定子采用交流五相设计，在风力发电系统中，通过整流逆变电路转换为与电网同步的三相电压。同时，为了提高该交替极永磁风力发电机在故障状态下的容错运行能力，电枢绕组采用了隔齿绕的绕线方式，即在每相线圈之间保留一个容错齿。转子与定子同轴内置于定子内部，并采用内置式永磁转子结构以保证转子在运行中的结构强度。转子永磁体采用了“V 型”排布的交替极结构，提高了永磁磁势和永磁体利用率。由于交替极拓扑用铁心极替代原有一半的永磁极，这拓宽了“V 型”永磁结构中的两块磁钢夹角设置范围，有利于降低电机反电势中非工作谐波占比。
在传统“V 型”永磁结构下，由于所有永磁体相邻排布，“V型”磁钢夹角的调节范围受到相邻磁钢限制，制约了对电机反电势谐波畸变率的优化。
2退磁分析
发电机在额定运行条件，表贴式永磁电机永磁体易受电枢反应影响，产生退磁现象，尤其在极端情况如两相短路、三相短路，短路冲击电流将对永磁体安全运行产生巨大影响，因此必须对其进行校核。本文基于Simcenter-MagNet对永磁直驱发电机绕组短路情况的永磁体进行退磁分析，退磁计算是对每个网格永磁体的工况都进行分析，一旦网格内永磁体的工作磁场低于退磁拐点数值，求解内核会认为永磁体发生退磁。Simcenter-MagNet后处理的DemagnetizationPredictionOverTime计算可以将整个计算周期的退磁做一个集成，在整个求解周期内的所有退磁点都会被记录下来。
3 海上风电运维管理系统的开发要求
目前，海上风电运维主要借鉴陆上风电模式，采用故障检修、定期维护和状态检修3种方式。但是，海上风电与陆上风电的运维环境存在较大差异，海上风电的运维特点对运维技术提出了新的要求，目前借鉴陆上风电形成的运维管理方式已难以满足海上风电的发展要求。
海上风电运维与陆上风电运维存在较大差异，借鉴陆上风电形成的运维管理方式也存在较大的局限性，因此，有必要针对海上风电的运维特点，开发专门的运维管理系统。海上风电运维管理系统主要开发要求如下。a)应开发高可靠性的状态监测设备及系统。目前，海上风电的运维数据主要依赖于SCADA，CMS等系统，但是这些数据的开放性、共享性不足，而且存在较大的滞后性，难以为风电机组的实时状态评价提供充分的判断依据，并且监测范围还较为有限。因此有必要开发高可靠性的状态监测设备及系统，进一步提升海上风电机组的监测水平，为运维管理提供可靠的数据支持。b)应开发先进的故障诊断与管理技术。受限于状态监测与故障诊断技术水平，目前海上风电场的运维主要采用定期检修和事后维护方式，还难以实现有效的状态预防性维修。然而为了最大程度保证风机设备的安全，尽早发现可能发生的故障或事故，必须提升机组的故障诊断及管理技术水平。c)应提升运维方案的优化设计水平。目前，运维系统主要借鉴陆上风电的做法，其具体运维方案还存在较大的优化空间，例如运维资源配置因缺乏准确的设计依据而显得过于保守，运维调度因缺少精益分析而显得过于粗放，这些都给风电开发商造成了较大的运维成本负担。因此，有必要对海上风电的运维方案开展精益化分析，对运维调度方案、资源配置方案等进行优化设计。
结语
海上风电逐步对深远海进行开发建设，涉及的风力发电机设计日趋复杂。本文通过对中速永磁电机的设计过程进行探索，经过了电磁方案设计、结构设计和温度场仿真分析。并对冷却方案进行了理论和试验分析，得到以下结论:(1)发电机采用斜槽+不等气隙结构可以有效的降低发电机的齿槽转矩和转矩波动;(2)发电机采用空－空冷却措施，可以保证发电机温升在设计要求范围内，以保证发电机安全可靠的运行;(3)样机型式试验结果与仿真分析结果基本吻合，试验和理论分析的一致性验证了电磁及冷却方案的可行性。
参考文献
［1］李争，史雁鹏，杜深慧，等．大功率永磁同步电机磁热耦合分析［J］．大电机技术，2020(1):6-9．
［2］李晓宇，王伟．基于SWOT分析我国海上风力发电的发展现状［J］．华北电力大学学报(社会科学版)，2018(5):42-49．