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1.5MW直驱式风力发电机谐波及其影响分析
摘 要：
永磁风力发电采用风力机直接驱动发电机的发电方式，虽然省去了齿轮箱，但这种方式却给发电机带来了更多的振动。直接驱动的方式也决定了发电机的额定转速太低，以至电机结构太大的特点。电机自身产生的脉动转矩对低速电机的影响是很大的，它和风力机的振动耦合在一起会使电机产生较大危害的振动。因此，应尽量减少气隙谐波磁场和电机运行时的时间谐波，降低脉动转矩。对于钕铁硼永磁体，应对其进行涡流损耗分析以避免温升过大而失磁。
本文分析了永磁风力发电机空载时的磁场谐波情况，并探讨了削弱空间谐波的办法；将有限元模型的计算与电机外电路结合起来，更准确、更有效地分析了永磁风力发电机经不控整流方式带负载时的时间谐波情况；最后作了电机激振力和涡流损耗的分析。
关键词：永磁风力发电机 空间谐波 时间谐波
1. 采用永磁发电机的直驱式风力发电系统
直驱式永磁风力发电机系统，。这种发电系统的工作过程是：风轮机直接带动永磁同步发电机的转子，也就是说，风力机和发电机具有一样的转速，发电机的输出首先经过整流环节，如果是不控整流，则直流侧需要加一个 boost 升压和稳压电路，如果是可控整流，直流侧只需加一个适当电容值的电容则可，最后，电能经逆变器转换成交流电输送给电网。直驱式永磁风力发电系统采用风力机直接驱动永磁同步电机，如果不是采用直驱式，则 MW 级的风力发电系统一般需要采用 3 级齿轮增速，风力机的转速为每分钟数十转，经过齿轮箱增速后，将每分钟数十转的转速增加到上千转的转速传递给风力发电机。但是，齿轮传动不仅降低了风电转换效率、产生噪声，而且由于机械磨损需要润滑清洗等定期维护。因此，采用直驱式风力发电机可以避免齿轮箱的不利影响。我们知道，永磁同步发电机的频率与转速和极对数的关系为：
pn f?
60（ p 为电机的极对数，n为电机的转速），由于电机的转速和风力机的转速是一样的，而通常情况的风速带动的风力机转速比较低（约 10r/min～30r/min），为了使发电机的频率不至于太低，那么发电机的极对数就必须比较大。这也是兆瓦级直驱式风力发电机结构庞大的一个主要原因。 永磁风力发电机谐波研究情况
由于直驱式永磁风力发电机是采用风力机直接驱动发电机的，存在耦合振动，并且由于永磁体是采用钕铁硼材料，容易受涡流的影响而发热，严重时会导致永磁体失磁，因此需要对永磁风力发电机进行谐波分析。国内外不少学者都研究了在永磁风力发电机设计方面如何削弱空间谐波的措施，以及在变流器变流拓扑和控制策略方面如何减小时间谐波的措施。但是，将发电机的空间谐波和时间谐波结合起来进行的分析则还比较缺乏。然而，电机的空间谐波也会通过时间谐波来体现，因此，
需要将这两者结合起来分析。
1.1 课题的主要研究内容
直驱式风力发电机只能运行在低速状态，而这种低速运行的特点会导致一些设计难题，如：为了获得较好发电频率，电机的极数必须设计得很多，槽数也必定很多，电机整体尺寸很大。而且低速运行的缺点还在于：脉动转矩对低速电机的影响很大，它耦合到风力机的传动轴上，会使电机出现很大的振动。由于永磁风力发电系统需要使用全功率的变流装置，而变流装置会使定子电流的谐波含量增加，从而导致永磁体涡流损耗加大，温升增加，甚至失磁。直驱式永磁风力发电机的谐波可以分为空间谐波和时间谐波。空间谐波主要由电机绕组、永磁体结构形状、极槽配合等方面带来的。
空间谐波会产生齿槽转矩，或者说是脉动转矩。时间谐波主要是指定子电流的谐波，主要影响是引起永磁同步电机的涡流损耗。本课题的研究重点是对MW级直驱式永磁风力发电机进行谐波含量及其影响分析，并探讨削弱谐波的措施。
2 永磁风力发电机空间谐波分析
我们一般在永磁风力发电机空载情况下分析电机齿谐波、齿槽转矩和空载反电势，或称为空间谐波分析。齿槽转矩的大小和频率主要与齿谐波有关，空载反电势和谐波含量的大小不仅与齿谐波有关，还与电机绕组的形式有关。
2.1 直驱式永磁风力发电机的空载磁场及齿谐波
对于大型的风力发电机来说，出于工艺简单、容易处理的需要，往往采用结构简单、等厚的磁体结构，如图2.1所示。该电机的极数为80，槽数为480，采用外转子结构。对定子不开槽时的永磁同步电机进行有限元分析，有限元网格的剖分如图2.2所示，得到的气隙磁密情况如2.3和表2.1所示。由图2.3和表2.1可以看出，长方体形状永磁体产生的空载气隙磁场是一个平顶波，谐波含量大，主要是三次谐波。虽然在电机的线电压中并不存在三次谐波电压，在定子绕组中感应出的相电流合成不了空间旋转的磁动势，但这样高的三次谐波电压会使电机产生更多的损耗等影响。
中小型的永磁同步电机往往采用不等厚的磁体，优化磁体形状，使其空载磁势波接近于正弦波。文献介绍了如何设计能够产生正弦气隙磁场的磁钢形状的方法，概括地说是利用B-样条曲线来对磁体形状进行参数化设计，这种设计方法得到的磁体所产生的气隙磁场接近于正弦波，大大地减小了磁场谐波。对于兆瓦级永磁风力发电机来说，由于加工成本和安装的需要，其永磁体结构往往采用等厚的形式。
图 2.1 永磁风力发电机一对极下的结构图
图 2.2 一个极下的有限元网格剖分图
图2.3 定子不开槽时的空载气隙磁场
表2.1 定子不开槽时的气隙磁场谐波含量
大型风力发电机定子为了使绕线方便，大多采用开口槽或半口槽。国内外许多学者都对定子开槽后带来的谐波作了分析。文献[12]指出，定子开槽后，任意一个ν次谐波磁势都在气隙中产生三种谐波磁场：
(a) 谐波次数为 ν ，转速等于 ν 次谐波磁动势转速的磁场，在定子绕组中
?pn1?vf1的电势。 感应出频率为60（kzZ??p）(b) 极对数为 的齿谐导谐波磁场，为顺转磁场，次数为kzZ，转
pvn1vpn1vp(kzZ?vp)?vf1 速为，感应于定子绕组的电势频率为
kzZ?vp60(kzZ?vp)（kzZ-vp）(c) 极对数为 的齿谐导谐波磁场，为反向旋转磁场，次数为n1?pn1vpkzZ(kzZ?vp)?vf1。转速为，感应于定子绕组的电势频率为
p?vkzZ??p60(kzZ?vp)
由此可见，ν次谐波磁势产生的所有磁场，尽管极对数和转速各不相同，但都在定子绕组中感应出相同频率vf1的电势。这说明电势中的谐波和磁势中的谐波是一一对应的，即ν次谐波磁势产生ν次谐波电势。
对于 80 极 480 槽电机，永磁体磁动势主要为基波和 3 次谐波，所以在定子开槽以后主要的齿磁导谐波也是由这两种磁动势产生的。对应基波的为：