不同故障情况对并网型半直驱永磁风力发电机影响的研究

摘要

风力发电是新能源发电的一个重要组成部分，目前，我国风力发电机的装机容量是世界上新增装机容量和累计装机容量最多的国家。半直驱永磁风力发电机综合了双馈风力发电机和直驱永磁风力发电机的优点，是未来风电发展的主要发展趋势之一。作为风电并网的核心部件，半直驱永磁风力发电机在运行过程中受到高温、振动等影响，易发生断路、失磁或短路等故障情况，同时由于风能的随机性和间歇性，发电机经常在不同风速下运行，因此对不同风速运行时故障后特征量的准确计算可以为半直驱永磁风力发电机在线监测和故障诊断提供参考依据，具有十分重要的现实意义。
　　本文以一台1.5MW、32极半直驱永磁风力发电机为研究对象，基于电磁场理论，建立了半直驱永磁风力发电机二维场—路耦合数学模型，基于该模型对发电机断路、短路及失磁故障后的特征量进行了研究。首先，计算了发电机额定风速运行时的支路断路故障和单相断路故障，重点分析了故障前后的发电机相电压、相电流和气隙磁场;在此基础上，研究了不同风速发电机运行时，断路故障对发电机电磁场的影响。其次，建立了发电机额定风速运行时的三相短路故障、接地短路故障模型，研究了短路故障时发电机的相电流和转矩;并分析了不同风速下发电机三相短路故障对发电机相电流的影响。再次，重点研究了发电机额定风速运行时的一个单元结构内不同位置永磁体失磁故障，计算了发电机失磁故障的支路电流、漏磁系数、极弧系数等参数;同时以相邻两块永磁体失磁故障为例，分析了发电机在不同风速下运行时该故障对发电机电磁场的影响。最后，考虑发电机在发生失磁故障后，继电装置未切除发电机的情况下，可能出现的失磁断路复合故障和失磁短路复合故障，以失磁断路复合故障、失磁三相短路复合故障、失磁接地短路复合故障为例，研究了复合故障对发电机电流的影响。
　　为了验证失磁故障计算方法的准确性，本文用该方法对一台相似结构的小型永磁风力发电机单块永磁体失磁故障进行仿真计算，并将计算结果和实验结果对比，误差在合理范围内。通过对上述各故障的研究，可得到不同故障情况对发电机电流、电压、电磁转矩等参数的影响，为永磁风力发电机在线监测和故障诊断提供了参考依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 半直驱永磁风力发电机研究背景

1．1．1 世界风电发展现状

1．1．2 中国风电发展现状

1．2 电机故障运行国内外研究现状

1．2．1 断路故障研究现状

1．2．2 短路故障研究现状

1．2．3 失磁故障研究现状

1．3 本文研究内容

2 断路故障对半直驱永磁风力发电机电磁场的影响

2．1 并网型半直驱永磁风力发电机二维场—路耦合模型的建立

2．2 并网型半直驱永磁风力发电机断路模型的建立

2．3 额定风速时单相断路故障对永磁风力发电机电磁场的影响

2．3．1 单相断路故障对永磁风力发电机电压、电流、电磁转矩的影响

2．3．2 单相断路故障对永磁风力发电机气隙磁场的影响

2．3．3 单相断路故障对永磁风力发电机转子表面电磁力的影响

2．4 额定风速时支路断路故障对永磁风力发电机电磁场的影响

2．4．1 支路断路对永磁风力发电机电流的影响

2．4．2 支路断路对永磁风力发电机内部磁场分布及转矩波动的影响

2．4．3 支路断路故障对永磁风力发电机气隙磁场的影响

2．4．4 支路断路故障对永磁风力发电机转子表面电磁力的影响

2．5 不同风速下单相断路故障对半直驱永磁风力发电机的影响

2．5．1 不同风速下永磁风力发电机电磁性能的计算

2．5．2 不同风速下单相断路故障对永磁风力发电机相电流的影响

2．6 本章小结

3 短路故障对半直驱永磁风力发电机电磁场的影响

3．1 额定风速时短路故障对永磁风力发电机电磁场的影响

3．1．1 三相短路故障对永磁风力发电机电磁场的影响

3．1．2 单相接地短路故障对永磁风力发电机电磁场的影响

3．2 不同风速时三相短路对永磁风力发电机电流、转矩的影响

3．3 本章小结

4 失磁故障对半直驱永磁风力发电机电磁场的影响

4．1 永磁风力发电机失磁故障二维模型的建立

4．1．1 永磁同步电机有限元模型的建立

4．1．2 永磁同步发电机失磁故障的准确性验证

4．2 额定风速时失磁故障前后永磁风力发电机内磁场分析

4．2．1 失磁故障前后永磁风力发电机内负载磁场分析

4．2．2 失磁故障前后永磁风力发电机内轭部磁密分析

4．2．3 失磁故障前后永磁风力发电机内气隙磁场分析

4．3 额定风速时失磁故障对空载漏磁系数、极弧系数的影响

4．3．1 失磁故障对空载漏磁系数的影响

4．3．2 失磁故障对极弧系数的影响

4．4 额定风速时失磁故障对永磁风力发电机输出特性的影响

4．4．1 失磁故障对永磁风力发电机输出电流的影响

4．4．2 失磁故障对永磁风力发电机反电动势的影响

4．5 不同风速下失磁故障对永磁风力发电机的影响

4．6 本章小结

5 失磁断路复合故障及失磁短路复合故障对永磁风力发电机电磁场的影响

5．1 失磁断路复合故障对永磁风力发电机电磁场的影响

5．2 失磁短路复合故障对永磁风力发电机电磁场的影响

5．2．1 失磁三相短路复合故障对永磁风力发电机电磁场的影响

5．2．2 失磁单相接地短路复合故障对永磁风力发电机的影响

5．3 本章小结

6 结论与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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