一种基于永磁风力发电机电磁模型的仿真测试方法

摘要

本发明涉及一种基于永磁风力发电机电磁模型的仿真测试方法，该方法通过大型永磁直驱风力发电机组仿真测试系统和调测控制器实施，该方法包括以下步骤：1)根据设计图纸，按比例制作永磁风力发电机电磁模型；2)将制作好的电磁模型安装在仿真测试系统中，连接在减速器和模拟负载或并网逆变器之间；3)通过仿真测试系统对电磁模型进行测试，并输出测试结果至调测控制器；4)调测控制器根据测试结果判断制作的电磁模型是否达到设计要求，若是，则结束测试，若否，则执行步骤5)；5)调整电磁模型，返回步骤2)。与现有技术相比，本发明具有可加快新产品的研发速度、降低研发成本等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电机仿真测试方法，尤其是涉及一种基于永磁风力发电机 电磁模型的仿真测试方法。

背景技术

大型永磁直驱发电机的制造具有现有设计资料少、研制成本高和技术要求高的 特点，研制新型大型永磁直驱风力发电机不经过电磁模型考核验证，就直接制作正 式样机，风险非常大。大型风力发电机组是在野外使用的架在数十米高空的大型设 备，而且外部条件是随机的和不可控的。它在不同外部条件下的全工况过程一般可 能会非常慢长，所以单靠在现场检测和评估风电机组整机质量，不但周期长，而且 在现场检测中发现的缺陷已经很难进行补救。现场测试方式存在严重不足。这样一 台新设计的发电机如果由于永磁磁场未达标，或者由于振动、温升等原因造成失磁， 则已经是无法挽救了。因此如果单靠到现场进行野外发电试验，其设计就有不小的 “听天由命”的意味。设计者只好以较大冗余或提高原材料技术等级来保证基本满 足需要就算成功。由于一台大型永磁直驱发电机制造成本要几百到上千万元，风 电产业因其投入大，技术水平高，被称为“巨人的运动”、“烧钱的产业”。

因此永磁直驱风力发电机采用某个新型号的稀土磁材料的磁钢时，都会因上述 原因，而承担风险，影响永磁材料的新产品开发工作，不能适应日益扩大的永磁直 驱风力发电机的不断改进技术的要求。

我国永磁直驱型风力发电机组自主创新能力低，国外品牌和技术充斥国内市场 有多方面的原因，其中有一个重要原因就是缺少创新产品的试验手段。

所以当今国内已经试制成功永磁直驱型风力发电机组的企业除我公司是中国 技术，独立研制外，其他大部分企业均与国外企业合作研制。我国风力发电永磁直 驱发电机自主研制的企业非常少，缺少快速仿真测试技术这是主要原因。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可在实验室 内快速低成本地验证永磁直驱发电机和磁性材料的动态电磁特性以及磁稳定性等 技术参数的基于永磁风力发电机电磁模型的仿真测试方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于永磁风力发电机电磁模型的仿真测试方法，该方法通过大型永磁直驱 风力发电机组仿真测试系统实施，所述的仿真测试系统包括变频调速器、拖动电动 机、调测控制器、减速器、模拟负载和并网逆变器，该方法包括以下步骤：

1)根据设计图纸，按比例制作缩小的永磁风力发电机电磁模型；

2)将制作好的电磁模型安装在仿真测试系统中，连接在减速器和模拟负载或 并网逆变器之间；

3)通过仿真测试系统对电磁模型进行测试；

4)调测控制器根据测试结果判断制作的电磁模型是否达到设计要求，若是， 则结束测试，确认新设计的永磁直驱发电机及磁钢设计正确，若否，则执行步骤5)；

5)调整电磁模型，返回步骤2)。

所述的永磁风力发电机电磁模型的转子轴向有效长度为真实永磁风力发电机 的转子轴向有效长度的l/n。

所述的n为5～10。

所述的步骤3)对电磁模型进行的测试包括电磁动态参数的仿真测试和极限状 态下磁稳定性的仿真测试。

所述的电磁动态参数包括发电机不同转速下的功率、谐波频率、强度、振动和 噪声强度。

所述的电磁动态参数的仿真测试具体包括：

101)将电磁模型连接在减速器和模拟负载之间，启动仿真测试系统对电磁模 型进行测试；

102)调测控制器记录电磁模型运行时的电磁动态参数；

103)调测控制器根据谐波频率和强度、振动与噪声强度判断电磁模型中的磁 路和磁体的设计是否合理，根据不同转速下的功率生成功率特性曲线，判断电磁模 型中磁钢的动态磁能积是否达到设计要求，并显示判断结果。

所述的极限状态下磁稳定性的仿真测试具体包括：

201)将电磁模型连接在减速器和并网逆变器之间，启动仿真测试系统对电磁 模型进行测试；

202)仿真测试系统控制电磁模型运行在正常工作状态，调节转速，获得功率 特性曲线a；

203)仿真测试系统控制电磁模型工作在发电机的最高允许温度状态下，调节 转速，获得极限状态下的功率特性曲线b；

204)电磁模型停止运行，温度回到常温状态，再次启动电磁模型，获得功率 特性曲线c；

205)调测控制器根据获得的功率特性曲线a、b、c，判断电磁模型是否会失 磁。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明在进行新型永磁风力发电机前先利用永磁发电机的电磁模型进行仿 真测试，可以大大降低大型永磁直驱风力发电机的研制成本和避免较大风险；

2)本发明的仿真测试方法大大加快了产品的研发速度；

3)本发明的仿真测试方法简单易行，具有较高的准确度，能对永磁直驱发电 机和磁性材料的动态电磁特性以及磁稳定性等技术参数进行验证。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中电磁动态参数的仿真测试示意图；

图3为本发明中极限状态下磁稳定性的仿真测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于永磁风力发电机电磁模型的仿真测试方法，该方法通过 大型永磁直驱风力发电机组仿真测试系统实施，所述的仿真测试系统包括变频调速 器、拖动电动机、调测控制器、减速器、模拟负载和并网逆变器，该方法包括以下 步骤：

1)根据设计图纸，按比例制作缩小的永磁风力发电机电磁模型(即仿真永磁 发电机)，所述的永磁风力发电机电磁模型的转子轴向有效长度为真实永磁风力发 电机的转子轴向有效长度的l/n，n可以取为5～10；

2)将制作好的电磁模型安装在仿真测试系统中，连接在减速器和模拟负载或 并网逆变器之间；

3)通过仿真测试系统对电磁模型进行测试，包括电磁动态参数的仿真测试和 极限状态下磁稳定性的仿真测试，并输出测试结果至调测控制器；

4)调测控制器根据测试结果判断制作的电磁模型是否达到设计要求，若是， 则结束测试，，确认新设计的永磁直驱发电机及磁钢设计正确，若否，则执行步骤 5)；

5)调整电磁模型，返回步骤2)。

所述的电磁动态参数包括发电机的谐波频率和强度、振动与噪声强度和不同转 速下的功率。如图2所示，所述的电磁动态参数的仿真测试具体包括：

101)将电磁模型连接在减速器和模拟负载之间，启动仿真测试系统对电磁模 型进行测试；

102)调测控制器记录电磁模型运行时的电磁动态参数；

103)调测控制器根据谐波频率和强度、振动与噪声强度判断电磁模型中的磁 路和磁体的设计是否合理，根据不同转速下的功率生成功率特性曲线，判断电磁模 型中磁钢的动态磁能积是否达到设计要求，并显示判断结果。

如图3所示，所述的极限状态下磁稳定性的仿真测试具体包括：

201)将电磁模型连接在减速器和并网逆变器之间，启动仿真测试系统对电磁 模型进行测试；

202)仿真测试系统控制电磁模型运行在正常工作状态，调节转速，获得功率 特性曲线a；

203)仿真测试系统控制电磁模型工作在发电机的最高允许温度状态下，调节 转速，获得极限状态下的功率特性曲线b；

204)电磁模型停止运行，温度回到常温状态，再次启动电磁模型，获得功率 特性曲线c；

205)调测控制器根据获得的功率特性曲线a、b、c，判断电磁模型是否会失 磁。

本发明中永磁风力发电机电磁模型制作的理论根据是电磁学原理。按照电磁学 理论，永磁发电机的永磁体可以等效为一个空心的励磁线圈，并进一步等效为至于 转子槽内的励磁绕组，这样永磁发电机可以等效为电励磁同步发电机，只是电励磁 同步发电机的转子励磁磁场可以调节，而永磁发电机转子励磁磁场是无法调节的。 所以电励磁电机学公式就都可以在风力发电机电磁模型中应用。根据电磁学原理， 当转子半径，永磁发电机磁极的极对数，等效励磁电流所在处气隙磁通密度大小， 等效的集中励磁电流和转速是一组固定的参数，则电磁功率的大小就取决于转子轴 向的有效长度的大小。

如果发电机的所有技术参数相同，转子轴向的有效长度的变化，可导致发电机 的输出功率按相同比例变化。这样一种按比例缩小转子轴向的有效长度制作的发电 机电磁模型，可以仿真测试发电机的所有技术参数。

并且还因为这种类型的仿真发电机除转子轴向的有效长度外，结构形式也要与 所要制造发电机完全相同，所以此方法制作的发电机的电磁模型，还可验证磁钢分 布，电枢绕组的制造工艺等工艺参数，非常真实可靠。

另外，如果发电机的所有技术参数相同，改变转子轴向的有效长度的和转子半 径的乘积，也能按相同比例改变发电机的输出功率。

本发明在进行新型永磁风力发电机前先利用永磁发电机的电磁模型进行仿真 测试，可以大大加快产品的研发速度，降低大型永磁直驱风力发电机的研制成本和 避免较大风险。