变速恒频风力发电机组发电机部分故障分析

当代对风能的开发利用不断增加,风力发电机的装机容量不断增大,在整个电力系统中的比重也越来越大。大型风力发电机在其运行过程中一旦发生较为严重的故障,不仅电机自身可能遭到损坏,而且还可能导致局部或整个电力系统的故障。大型风力发电机价格昂贵,随着风电在电网中的比例不断增加,如果发电机供电突然中断,导致的损失会越来越大。 发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置,它不仅影响电能输出的效率和质量,也跟整个风电机组的结构复杂性相关。因此,对风力发电机部分进行故障诊断,无论是在避免重大事故发生方面,还是在对风力机查找故障原因、故障维修及保证电网运行安全方面,都有着极其重要的意义。 本文选择变速恒频风力发电机中的永磁直驱风力发电机组为故障研究对象,首先根据永磁同步发电机的基本理论对发电机定子端部发生不对称故障时的状态方程进行了推导,其次利用有限元方法对永磁直驱同步发电机内部电磁场进行计算分析,提出矢量磁位A和电流密度J,并讨论了风力发电机的运动电磁场边值问题,采用三角元剖分和线性插值方法并建立有限元离散方程,并在运动问题利用有限元方法处理时采用空间步长的方法求解,为用有限元方法建立永磁直驱风力发电机奠定理论基础。 在有限元理论的基础上,利用有限元软件ANSOFT的RMxprt模块建立2.12MW大型风力永磁直驱发电机关于场、路、运动相结合的有限元模型,然后导入Maxwell2D求解出二维电磁场模型,通过对额定状态输出电压、电流波形的求解和模型内部磁场的求解证明了所建模型的正确性,基本符合风力机的指标。通过对有限元外电路的改变来模拟风力发电机定子端部不同的故障类型,计算分析了定子绕组三相、两相和单相接地短路的电流和各相电压和故障状态时二维电磁场模型中的气隙磁密以及风力发电机内部磁力线分布,并对不同故障各项分析结果进行比较。本文同时对定子绕组内部故障进行模拟分析,主要计算了A相定子绕组发生匝间短路时的单相电压、磁云密度和气隙磁密,并同正常状态进行了比较。 本文的研究成果有望对将来在线监测大型永磁直驱同步风力发电机的故障状态和分析故障原因提供理论支持和方法支撑。