第３１卷第２期 计算机仿真 ２０１４年２月
文章编号：１００６—９３４８（２０１４）０２—０１７０—０４
双馈风力发电机多种故障状态温度场仿真研究
何山 ，王维庆 ，董新胜 ，陈洁
（１．新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐８３００４９；
２．可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆乌鲁木齐８３００４９；
３．新疆电力科学研究院，新疆乌鲁木齐８３００１１）
摘要：研究双馈风力发电机温度场优化测量问题。针对温度场不便测量和故障的多样性，为改善多工况运行时发生多种短
路故障的温度场测量精度。提出利用有限元法建立全区域模型，在电磁场计算基础上耦合进行温度场计算。计算了
１．５ＭＷ发电机正常运行及多种故障发生时的温度场，并把仿真数据和现场温升实验测量数据进行对比。结果表明，可确定
发电机最高温度值及部位、绝缘材料性能改进对温度的影响，对单相短路故障判定良好，匝间短路故障较难判别。经实验证
明，改善了目前温度场不便全面直接测量的问题，仿真分析对温度场优化、故障预测、结构优化有较大意义。
关键词：双馈风力发电机；并网；多种状态；温度场；匝间；故障
中图分类号：ＴＭ６１４ 文献标识码：Ａ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｆａｕｌｔ Ｓｔａｔｅｓ Ｔｈｅｒｍａｌ
Ｆｉｅｌｄ ａｂｏｕｔ ＤＦＩＧ ｉｎ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ
ＨＥ Ｓｈａｎ ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ—ｑｉｎｇ ，ＤＯＮＧ Ｘｉｎ—ｓｈｅｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｊｉｅ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ Ｘｉｎｊｉａｎｇ ８３００４９，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｆｏｒ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
ａｎｄ Ｇｒｉｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ￣ｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ Ｘｉｎｊｉａｎｇ ８３００４９，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｕｒｕｍｑｉ Ｘｉｎｊｉａｎｇ ８３００１１，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅｒｍａｌ ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ Ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＦＩＧ）．
Ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｓ ｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｖａｒｉ－
ＯＵＳ，ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｆｉｅｌｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｍｕｈｉｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔ
ｈａｐｐｅｎｅｄ，ａ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ，ａｎ ａｌｌ—ｒｅｇｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ，ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ １．５ＭＷ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ａｎｄ ｔｈｅ
ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆａｕｌｔ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｄａｔａ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｒｉｓｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｔ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｉｎｃｏｎ—
ｖｅｎｉｅｎｔ ｔｏ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｆｉｅｌｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ．
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ＤＦＩＧ ｉｎ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ；Ｇｒｉｄ—ｔｉｅｄ；Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；Ｔｈｅｒｍａｌ ｆｉｅｌｄ；Ｔｕｒｎ—ｔｏ—ｔｕｒｎ；Ｆａｕｌｔ
１ 引言
双馈风力发电机单机容量Ｅｔ益增加，多已达兆瓦级。其
定、转子上均为绕制绕组，参与能量转换，在运行时，比一般 电机更易出现定、转子侧绕组匝间、单相等多种短路故障；发 电机可在亚同步速以及超同步速运行，转速变化范围较大， 基金项目：新疆自然科学基金项目（２０１２２１１Ａ００１） 收稿日期：２０１２—１１—２０修回日期：２０１３—０３—２４ —１７０一 转子和电网之间的电流方向和大小都在变化，转子回馈电网 电功率可达总功率的３０％，容易出现转子发热严重的情况； 发电机结构复杂，材料多样，需要研究绝缘材料性能改善对 于温度场的影响。以上问题体现了温度场分析的复杂。目
前温度场的全面实际测量很不方便，因电机生产厂商只在发
电机每相绕组中预埋数量有限的ＰｔｌＯ０热电阻（一般每相绕
组埋２只），测定绕组个别位置的温度，无法全面了解电机任
意部位的温度。电流流经绕组产生的铜损耗，是温度升高的
主要原因，电机内材料多样，绕组外包绝缘，热量主要经过传
导作用传至电机外壳，同时电机的气隙中主要为对流散热，
热量散失十分复杂。温度场设计计算对发电机十分重要，可
避免绝缘材料过早损坏，降低故障率，改善冷却效果、限制温
升正成为发电机设计的重要问题。
为准确对电机的温度场进行研究，国内外学者提出了众
多计算方法 ．２ Ｊ，目前一些学者运用数值计算方法对不同类
型电机的温度场 、不同运行状况下铁心与绕组间的热量
传递 、转子通风方式和电机风量分配对电机温升的影响等
问题进行了研究 ，以上工作为电机内的多物理场的计
算奠定了一定的基础。以上文献多是针对双馈电机的局部
区域（未同时涉及定、转子）或个别影响温度场分布的因素来
进行研究，如文献［１２，１３］仅进行了定子温度场计算，文献
［１４］仅进行了正常状态温度场计算，文献［１５］仅对电机内
冷却介质的速度、迹线、温升等参量的分布特性进行了分析。
目前关于双馈风力发电机温度场的文献研究较少，且没
有涉及多种状态的温度场（如长期的部分绕组不同比例的匝
问短路、单相短路故障发生的温度场）的分析计算。传统的
温度场计算多采用经验公式法估算，很不准确，不直观。本
文的特点在于采用有限元方法，仿真计算了发电机全部区域
绕组多种运行工况和故障情况下的温度场，以及绕组绝缘材
料性能提高对于温度场的影响，材料选取方便，计算精度高、
速度快，结果直观且可以三维方式显示。
本文以一台１．５ ＭＷ风冷式双馈风力发电机为例，基于
有限元方法，针对发电机的全部区域，在电磁场计算的基础
上耦合计算（电磁场计算得出的电流、铜耗和铁耗等数据作
为温度场的计算条件）正常运行以及多种故障发生时温度
场，考虑了对流和传导散热，仿真确定了各种情况下电机内
的最高温度和位置以及绝缘材料性能改进对温度场的影响。
对绕组发生匝间短路故障和单相短路故障进行了计算判别，
并把仿真计算与实测数据进行了比较分析，实验结果表明了
该方法的正确性，对发电机的进一步优化设计具有指导
意义。
２双馈发电机模型建立求解
对于温度场的计算过程流程图如图１。
图１温度场计算流程图
２．１双馈发电机模型建立求解
ＭＷ级变速恒频双馈风力发电机１／２区域范围的绝缘
结构分布如图２，电机使用的多种材料的热性能参数如表１
和表２。
图２发电机结构简图
表１双馈风力发电机基本参数
材料导热系数 （Ｗ／ｍ・℃）
铁芯
绝缘材料
铜导线
槽楔
空气
气隙对流系数
４５
０．３８
３７６
Ｏ．３
Ｏ．０３
１３０（Ｗ／ｍ ・℃）
为便于分析，对发电机结构作如下简化：１）槽内的多匝
线圈作为整体建模，划分网格时把线圈外部的绝缘层作为整
体考虑，予以分离，单独进行处理；２）由于电机结构周向对
称以及传热特性，认为定、转子槽中心面和定、转子齿中心面
是绝热面；３）叠压在一起的硅钢片铁芯作为整体考虑，略去
铁芯接缝的影响。
据实际情况分析，发电机热量传递的途径主要是传导和
对流，进行仿真计算时主要考虑以上散热方式，需要设置计
算初始温度值和发热面的生热率等，由于发电机的最高温度
不是特别高（一般不会高于１５０℃），所以可忽略辐射效应。
２．２热性能参数计算
针对各向异性材料，由传热学原理可得求解域内稳态温
度场基本方程和其边界条件¨ ・”］：
啬（Ａ ）＋ （Ａ ）＝一ｇ （１）
一
Ｉ ：０ （２） ａ
ｎ 、
一
Ａ Ｉ ｓｓ： （Ｔ— ） （３）
式中： 为固体待求温度，℃；Ａｘ、Ａｙ为求解域内各材料沿 、
Ｙ方向的导热系数，ＩＶ／（ｍ・℃）；ｑ 为求解域内各面热源密
度之和，Ｗ／ｍ ；ｏｔ为散热表面的散热系数，ＩＶ／（ｍ ・℃）；巧
为散热面周围流体的温度，℃； 、＆分别为绝热和散热面。
一
】７１—