引言

近年来风力发电行业发展迅速，与永磁发电机相比，由于双馈发电机材料成本优势明显，各大主机厂为了降本增效大量应用双馈发电机技术路线，但双馈发电机运行时定子始终直接并网，因此其性能受电网电压影响明显，同时双馈发电机属于绕线式异步电机一类，磁路饱和情况是影响此类电机性能的主要因素。因此针对磁路状态对双馈风力发电机的性能影响和预防措施研究是一个重要的课题。

针对磁路饱和对电机性能影响，许多研究员开展了大量研究。主要从磁路饱和模型下对电机负载特性、多状态下运行、气隙磁密谐波及转矩波动等方面开展研究，其中刘晓芳等人利用有限元计算，分析了磁路饱和与磁场畸变共同作用下计算负载励磁电流的新方法；陈强等人结合冻结磁导率技术分析，得出磁路饱和会对永磁电机空载反电动势谐波产生畸变，同时增大电磁转矩及各转矩分量波动；有研究者已经在磁路饱和下对双馈风力发电机运行性能开展过研究，但主要使用控制策略算法及等效电路的方法对发电机性能开展研究，磁路饱和程度有限，未能真实反应材料磁化曲线对电机性能的影响。

本文以550kW双馈发电机为对象开展研究。首先阐述双馈发电机的基本工作原理，给出此电机的方案参数，通过有限元仿真计算，分析了磁路饱和后对此发电机开路、转子加电特性及额定超同步运行工况的影响，并且分析了在不同电压下发电机空载运行的损耗变化趋势，提出了避免磁路饱和的可行优化措施。

1 双馈发电机工作原理

双馈风力发电机的工作原理是通过叶轮传递过来的机械转矩输入到发电机的转轴上，因此发电机的转速是跟随风速及叶轮转速变动。双馈发电机定子出线端与电网直接相连，转子通过与变频器相连，通过控制转子励磁变流器的励磁电流的频率、幅值及相位等维持发电机定子端频率恒定，假定该电机极对数为，定子侧磁场旋转速度由电机理论可得出，假如给转子侧通入频率为的励磁电流，相对于转子本身的旋转速度，转子磁场的旋转速度同样可得到，因此仅需维持发电机旋转速度和转子磁场旋转速度合为定子磁场旋转速度，即可通过调节转子电流频率维持定子磁场恒定。

因此当发电机处于变速运行时，发电机转子绕组中的频率满足时，则定子的频率可维持为恒定。双馈发电机有三种工作模式：

1. 亚同步运行状态：当时，定子同步转速大于发电机旋转转速，s＞0。
2. 超同步运行状态：当时，定子同步转速小于发电机旋转转速，s＜0。
3. 同步运行状态：当时，转子绕组通入直流，与电励磁同步发电机一致，s=0。

2 电机方案

本文以2极550kW双馈发电机的磁路饱和特性为研究对象，对其进行方案设计时将磁路饱和程度进行扩大化设计再进行性能对比分析，因此可凸出磁路饱和后对发电机性能影响特性，通过有限元计算后验证得到发电机基本参数如表1。

额定功率/kW	550	有效长度/mm	450
额定电压/V	400	气隙长度/mm	2
额定转速/rpm	3750	定子槽数	48
功率因数	1	转子槽数	36
定子外径/mm	640	开路电压范围/V	430-450
定子内径/mm	350	定子每槽导体数	5
槽宽/mm	13	转子每槽导体数	2
槽深/mm	69	定转子接法	△/Y

该电机定子为分布式散线绕组，定子采用梨形槽结构，转子采用半闭口槽结构，此电机采用强迫风冷结构，通过后端冷却风机进行散热，定子采用机座轴向通风结构，转子采用轴向通风孔设计，此结构工艺复杂程度较低，并且能较大的提高通风散热及减轻电机重量的能力，常应用于小功率发电机中。如下图1。

下图2分别展示了方案在磁路饱和状态和宽松状态下的磁密云图，其它部分磁路基本合理，尤其点出了转子轭部磁密，其中左侧磁密饱和云图转子轭部磁密峰值大于2.0T，已经达到硅钢材料磁化曲线性能上限，右侧宽松状态磁密下转子轭部磁密云图在1.7T附近。基于此状态进行多工况对比分析。

3 仿真分析

3.1 转子开路工况计算

双馈发电机转子开路电压测试是检验发电机是否能达到设计参数的重要测试，风电行业通常采用《GB/T23479-2023风力发电机机组-双馈异步发电机》标准进行测试：转子静止并开路，调节定子侧调压器，使转子电压逐步升高值发电机额定电压值后，记录定子电压，折算至额定电压时对应的转子开路电压。按照此测试方法进行同步仿真计算，即在定子侧施加额定电压，旋转转速为零，查看转子侧感应电压值。

上图表示两种磁路状态下对转子开路电压的仿真计算结果，在磁路饱和情况下，转子开路电压明显更低为360V，而且在波形的顶峰处存在畸变和毛刺现象；反观在宽松磁路状态下，转子开路电压为440V，达到发电机设计时转子开路电压的要求。因此说明，磁路过饱和的状态下，转子开路电压将比预期设计值更低，此结果可作为判断磁路合理性的因数之一。

3.2 转子加电特性计算

转子加电定子开路工况是用来评估发电机设计后激磁电抗和计算值的偏差的重要判定依据，在正常情况下，磁路种磁感大小在硅钢材料的线性磁化区间段时，定子达到额定电压时的激磁电抗更大；当磁路中磁感已经接近材料上限或者超过，定子达到额定电压后的激磁电抗更小，说明发电机在额定电压运行时需要的激励电流更大。以下图4是发电机在磁路饱和状态下进行转子加电定子开路电压的计算数据，在磁路饱和状态下将25A-175A转子电流进行计算，其中转子电流增加至175A，定子开路电压仅有335V，反而在磁路状态宽松状态下，转子电流为100A时，定子电压可达到400V，因此可说明，当磁路过饱和时，在转子加电特性工况中，所需的激磁电流比正常情况大很多。

3.3 空载运行计算

发电机空载运行是将转子短接，定子端施加工频电压，通过测量输入功率计算电机在同步频率下的铁耗和机械损耗。磁路饱和程度将影响发电机空载电流和铁耗大小，同时电机定子直接并网，电压幅值受负载影响处于波动状态，同样会影响铁耗大小和性能。针对此计算不同磁路状态时相同电压下空载电流大小以及不同电压下铁耗大小。

通过对比计算，当磁路饱和时空载电流有效值为524A，磁路宽松情况下空载电流为仅需93A，磁路饱和程度将大幅度的提高空载运行时电流，同时通过在磁饱和下不同电压下铁耗对比，过高的电压将大幅提高发电机铁耗，在相同电压400V下，磁路饱和状态下铁耗为5kW，磁路宽松情况下铁耗为3kW，相比之下下降40%。

3.4额定工况计算

双馈风力发电机多数工作在超同步运行，下面针对额定工况进行计算，计算结果如图6。

通过对比发电机在不同磁路状态下转子电压波形正弦度情况，磁路饱和后转子电压存在失真的情况，并通过波形FFT分析，磁路饱和后转子电压THD为14.3%，磁路宽松状态下转子电压正弦度明显较优，THD为7.8%，同时对比电磁转矩波形数据，在转子侧施加相同的转子励磁电流后，磁路饱和后将导致发电机电磁转矩下降，说明会导致发电量损失及增加系统运行负荷，同时转矩波动比磁路宽松大8%。

4 优化措施

针对以上发电机结构，提出三类降低发电机转子磁路饱和的方法，主要改善原方案转子轭部磁路状态，以下均在相同工况下进行对比，结果如下表2所示。

优化措施	原方案	降低槽深	取消通风孔	放大转子外径
转子轭部磁密/T	2.3	1.97	1.94	1.85
转子开路电压/V	360	403	425	440
定子开路电压/V	192	240	297	402
铁耗/kW	5	4.2	3.7	3
电磁转矩/kNm	1.5	1.65	1.89	2

结合以上表2数据，在原结构方案上进行优化设计，通过降低槽深、取消通风孔及放大转子外径优化措施逐步降低了转子轭部磁密饱和程度，使表中各性能均有明显的提升；对于此方案结构电机，前两类措施对电机性能提升并不明显，最明显措施为放大转子外径可使转子磁密饱和下降至1.85T，各项性能达到预期要求。

5结论

本文分析了磁路饱和和宽松状态下对发电机开路工况、转子加电特性、空载及额定超同步运行工况的性能影响，并结合此结构电机提出优化转子磁路的可行措施，研究表明，在磁路过饱和状态下，发电机转子开路电压将明显低于预期设计值；转子加电定子开路工况下，发电机达到额定电压时所需激磁电流将大幅度增加；发电机空载运行时定子空载电流及铁耗增加明显；发电机额定工况运行下转子励磁电压幅值更大且波形畸变率更高，转矩波动更大，电磁转矩将受磁路饱和程度影响低于额定值，结合此结构特点采用放大转子外径的措施，较大降低了转子轭部磁密幅值，最终使发电机各项性能达到预期要求，此研究可为在发电机开发设计中遇到类似问题时提供解决思路。

参考文献：

1. [1] 刘晓芳, 康锦萍, 罗应立, 等. 汽轮发电机在饱和与磁场畸变时负载励磁电流计算的新方法 [J]. 电机与控制学报,2010,14(08):7-12.
2. [2] 陈强, 兰华, 徐永向, 等. 磁路饱和对永磁同步电机转矩波动的影响 [J]. 微电机,2017,50(08):7-11.
3. [3] 杨艳蓉, 张瑞伟,赵惠康, 等. 磁路饱和对双馈风力发电机运行性能的影响研究 [J]. 大电机技术,2013(02):13-17+22.
4. [4] 陈强, 兰华, 徐永向, 等. 磁路饱和对永磁同步电机转矩波动的影响 [J]. 微电机,2017,50(08):7-11.