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风电变流技术 ★ 5.0

整数槽表面贴装永磁风力发电机短路故障后去磁扭矩脉动研究

Investigation of Post-Demagnetization Torque Ripple in Integer-Slot Surface-Mounted PM Wind Power Generators after Short-Circuit Faults

作者 Yidong Du · Qinghuai Shi · Haolan Zhan · Zekai Lyu · Wenting Wang · Yang Xiao
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2025年5月
技术分类 风电变流技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 永磁风力发电机 三相短路故障 退磁 转矩脉动 永磁体温度
语言:

中文摘要

本文研究了整数槽表贴式永磁(SPM)风力发电机在三相短路(3PSC)故障后的永磁体退磁转矩脉动。首先,通过对三相短路电流产生的去磁磁动势进行解析建模,分析了永磁体的退磁分布规律。研究发现,存在一条最严重的退磁线,该退磁线沿旋转方向偏离永磁体磁极轴线。退磁程度沿径向远离气隙方向以及周向两侧逐渐减小。此后,文章分别通过分析齿槽转矩和反电动势谐波来研究永磁体退磁后的转矩脉动。研究发现,在永磁体温度较低时,随着退磁程度加剧,齿槽转矩减小;而在永磁体温度较高时,齿槽转矩先减小后增大。此外,随着退磁程度加剧,反电动势谐波以及由此产生的转矩脉动均减小。尽管谐波转矩脉动和齿槽转矩幅值呈现相反的变化趋势,但前者幅值较小。因此,总转矩脉动随退磁程度的变化趋势与齿槽转矩一致。最重要的是,当永磁体温度升高时,转矩脉动更有可能超过退磁前的值。此外,本文还研究了三相短路起始转子位置的影响。研究发现,当三相短路在 7π/6 + <italic xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">k</i>π/3(<italic xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">k</i> = 1, 2, 3…)时刻开始时,永磁体退磁程度最轻,但转矩脉动最大。最后,通过实验验证了理论分析的正确性。

English Abstract

This article investigates the post-demagnetization torque ripple of integer-slot surface-mounted PM (SPM) wind power generators after three-phase short-circuit (3PSC) faults. Firstly, the demagnetization distribution pattern is analyzed by analytically modelling demagnetizing MMF from 3PSC currents. It is revealed that there exists a severest demagnetization line, which shifts from the PM pole axis in the rotating direction. The demagnetization level gradually decreases in the radial direction away from the airgap and along both sides in the circumferential direction. Thereafter, the article investigates the post-demagnetization torque ripple by analyzing cogging torque and back-EMF harmonics, respectively. It is found that, under low PM temperature, the cogging torque decreases when demagnetization deteriorates. With higher PM temperature, the cogging torque first decreases and then increases. Additionally, both back-EMF harmonic and the resulting torque ripple decrease with demagnetization aggravating. Although the harmonic torque ripple and cogging torque amplitude exhibit opposite phases, the former has a smaller amplitude. Therefore, the total torque ripple follows the variation trend of cogging torque with demagnetization level. Most importantly, the torque ripple is more likely to exceed the pre-demagnetization value when PM temperature increases. Furthermore, the influence of 3PSC start rotor position is investigated. It is found demagnetization is the least severe when 3PSC starts at 7π/6+kπ/3 (k = 1, 2, 3…), yet with the largest torque ripple. Finally, experiments are conducted to validate the theoretical analysis.
S

SunView 深度解读

从阳光电源风电变流器和新能源发电系统业务视角来看,这项关于永磁风力发电机退磁后转矩脉动的研究具有重要的工程应用价值。

该研究深入揭示了表贴式永磁发电机在三相短路故障后的退磁机理和性能演变规律,这直接关系到我们风电变流器系统的容错设计和故障预测能力。研究发现的"最严重退磁线"分布特征以及温度依赖的转矩脉动变化规律,为我们优化变流器的短路保护策略提供了理论依据。特别是论文指出在特定转子位置(7π/6+kπ/3)启动短路时退磁程度最轻但转矩脉动最大这一矛盾现象,对我们设计智能故障管理算法具有指导意义。

从产品应用角度,该技术可直接用于提升我们风电变流器的智能诊断功能。通过监测转矩脉动和反电动势谐波的变化,可以实现永磁发电机退磁状态的在线评估,这对于延长机组寿命、降低运维成本具有显著价值。此外,研究揭示的退磁后性能退化规律,可帮助我们优化控制算法,在发电机部分退磁情况下仍维持较好的发电效率和电能质量。

技术挑战方面,将该理论成果转化为实用的在线监测系统需要解决传感器布置、信号处理算法和计算资源等工程问题。同时,不同机型的永磁体材料和温度特性差异较大,需要建立完善的数据库和自适应模型。

该技术已具备较高成熟度,结合我们在功率电子和控制算法方面的优势,可在1-2年内形成差异化的智能运维解决方案,增强在高端风电市场的竞争力。