基于多场耦合的风电机组熵产极小化分析
温彩凤 张建勋 彭海伦 汪建文
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171477
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导语
本研究针对永磁风电系统产能效率低、输出稳定度不高等问题，综合考虑损耗热功及换热性能，基于熵增原理建立熵产模型，结合有限体积元分析结果，进行热功产生及扩散过程中熵产率动态分析最终以极小熵产率为目标，确定机组最佳运行工况及磁-热结构，提出风电机组极小熵产率优化方向。
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研究背景
永磁风电机组输出效率低、运行不稳定等问题始终制约着风电行业的发展。而损耗堆积及散热性能成为稳定运行的决定性影响因素。因此，对风电机组运行中产热及传热过程进行模拟计算，进一步分析电磁损耗及温升规律，探究其机理势在必行。近年来，国内外学者大多着眼于发电机单一物理场变量动态分布，运用多场耦合手段探究各自变量之间的关联性，对于机理研究，缺乏统一理论标准分析不同物理量对发电机运行的影响程度，不利于耦合机理分析与运行性能优化。
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论文所解决的问题及意义
本文选取功率为500W的永磁风力发电机作为样机，利用数值模拟手段进行三维耦合分析，对系统的产能损耗过程进行全面分析，以熵作为不同物理过程的统一考究标准，综合考虑损耗功率及传热、散热特性，建立整机的熵产模型，以极小熵产为目标，对风电系统最优结构与最佳运行工况进行探究与归整。
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论文的方法及创新点
通过构建风电系统熵产模型（如图1所示），将风电系统主要熵产分为损耗熵产与换热熵产，结合流-热-磁多场双向耦合数值模拟所得损耗（包括铁耗、铜耗等）与换热性能动态结果，得到风电系统熵产与来流风速、机组偏航角、齿槽结构及定、转子间气隙长度等关键影响因素的关联性，为永磁风力发电系统研究提供了另一种热力学分析思路，为强稳定性、高功率密度永磁风力发电机优化设计提供了部分数据基础。
图1 熵产模型
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结论
1）熵分布状况由散热性能、电磁结构、永磁体磁性能及机组匹配情况等多因素耦合决定，即属于多因素单目标体系。
2）提出了一种基于流-热-磁双向耦合的熵产模型及分析方法，可对风电系统进行熵产量化计算及产能分析，并为风电系统产能效率提出一种新的研究思路与优化目标。
3）风电系统熵产主要由损耗熵产和换热熵产组成，其中前者对整机特性其积极作用，后者起消极作用，但二者近似呈正相关特性，影响系数为1.2左右；损耗熵产对总熵产起决定性作用。
4）偏航角、气隙长度、槽型决定发电机熵产。其中，偏航对换热熵产影响较大，在多因素耦合作用下，不同槽型发电机因适度偏航而增大的熵产和能力依次为：扇形槽34.2%，斜肩圆底槽23.1%，梨形槽18.1%。
5）对于本研究样机，在10°~15°偏航角、5mm气隙长度时风电系统达到熵产极小化目标。
展望：本文所用熵产模型仍待完善，因样机选取小型发电机，未考虑振动、噪声等因素所造成损耗；此外,风力发电系统的优化不能仅凭借熵产这一单素，还应考虑产能效率、工作寿命等因素，是多因素多目标优化过程；本研究旨在为风力发电系统熵分析研究抛砖引玉，希望能和各位风电从业同行交流学习，也同时欢迎各位老师、同学来内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部重点实验室参观、交流指导！
温彩凤, 张建勋, 彭海伦, 汪建文. 基于多场耦合的风电机组熵产极小化分析[J]. 电工技术学报, 2018, 33(19): 4563-4572.
Wen Caifeng, Zhang Jianxun, Peng Hailun, Wang Jianwen. Entropy Generation Minimization Analysis of Wind Turbines Based on Multi Field Coupling. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(19): 4563-4572.
作 者 简 介
内蒙古工业大学
温彩凤 女，1980年生，内蒙古工业大学能源动力工程学院副教授、硕士生导师、在站博士后，多年从事永磁风力发电机多场耦合对输出特性影响、风电机组热力学系统等方面研究。
张建勋 男，1993年生，硕士研究生，研究方向为风力发电机多场耦合数值模拟。
彭海伦 男，1993年生，硕士研究生，研究方向为风力发电机组输出功率脉动机理。
汪建文 男，1958年生，内蒙古工业大学能源动力工程学院教授、博士生导师，中国机械工业教育协会高等学校机电类学科教学委员会委员、中国机械工程学会流体工程学会风机专业委员会委员，多年从事风力机械理论、实验、模拟等多方面研究。