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直驱永磁风力发电机设计关键技术及应用研究

高剑  
【摘要】:风能是可再生能源中发展最快的清洁能源,也是最具有大规模开发和商业化发展前景的可再生能源,风力发电是最有效的风能利用方式。直驱永磁风力发电系统采用无刷无环的永磁同步发电机作为主发电机,取消了齿轮箱传动装置,具有结构简单、效率高、维护率和故障率低等特点,同时也具备了在恶劣环境下工作的能力,因此适合于海上大容量风力发电的发展方向,是符合风力发电技术发展趋势的一种机型。 本文针对直驱永磁风力发机设计关键技术开展研究工作,主要包括以下几个方面: (1)介绍了当前典型的并网直驱永磁风力发电系统的基本结构,阐述了风轮机的基本原理与功率特性、直驱永磁风力发电机的数学模型、机侧变流器和网侧变流器的数学模型及其控制策略、直流母线环节的数学模型和直驱永磁风力发电机组功率控制方式以及最佳风能捕获原理,为后续各章节的研究工作奠定基础。 (2)直驱永磁发电机通过一个背靠背全功率变流器与电网相连,电流和输出功率受到机侧变流器的控制,直驱永磁风力发电机的运行特性和设计方法具有其特殊性,因此准确分析变流器控制条件下直驱永磁风力发电机的运行特性,建立符合发电机运行特性的设计模型是直驱永磁风力发电机设计的关键问题。本文研究了直驱永磁风力发电机在变流器控制条件下的运行特性,推导了在机侧变流器isd=0矢量控制条件下发电机定子电压平衡方程、定子电压与直流母线电压之间的约束关系;研究了发电机定子电压、功率因数随电磁功率变化而变化的规律,阐明了直驱永磁风力发电机有功功率调节的基本原理;提炼了直驱永磁风力发电机在机侧变流器isd=0矢量控制条件下的重要运行特点,这将为下一章新的设计模型的提出奠定了理论基础。 (3)分析了传统直接并网同步发电机设计分析方法在分析设计直驱永磁风力发电机时的缺陷和局限性。并将直驱永磁风力发电机矢量控制原理与经典电机设计“磁路计算”和“参数计算”有机结合起来,提出了基于变流器控制策略的直驱永磁风力发电机设计模型,该模型综合考虑了变流器电流矢量控制策略对发电机特性和性能的影响,能更准确的反应直驱永磁风力发电机的运行特性,并通过仿真和对比分析和试验研究的方式验证了本文提出的设计模型的准确性。 (4)直驱永磁风力发电机转速低、体积庞大,其极数、极数/槽数匹配、永磁体尺寸等关键电磁参数具有很大的选择空间,因此准确分析各电机设计参数对电机性能和电机体积重量的影响是对电机进行优化设计的关键前提条件。本文研究了变流器控制条件下的直驱永磁风力发电机设计参数对性能和体积重量的影响,建立了直驱永磁风力发电机参数分析解析模型。利用该模型研究了发电机极数与发电机主要尺寸、电感参数和铁心损耗之间、极槽配合与发电机绕组系数、电动势波形之间、永磁体厚度和宽度与空载磁密、电动势、电感参数和铁心损耗之间、匝数和发电机性能之间的解析关系,得到了一系列有价值的结论,并通过直驱永磁风力发电机参数化电磁设计验证了上述结论。 (5)齿槽转矩是永磁电机的固有特性,直接影响到直驱永磁风力发电系统的切入风速和能量捕获,因此如何降低齿槽转矩也是直驱永磁风力发电机设计的一个关键问题。本文分析了永磁电机齿槽转矩产生的机理,讨论了永磁电机设计参数与齿槽转矩之间的关系,介绍了选择合理极槽配合、改变电枢参数和改变永磁体参数来削弱永磁电机齿槽转矩的方法。通过研究不同极槽配合下单个永磁体和永磁电机总齿槽转矩之间的关系,提出了永磁电机基本齿槽单元的概念,整个电机永磁体可划分为若干个基本齿槽单元,每个基本齿槽单元产生的齿槽转矩在幅值和相位上完全相同。建立了基于齿槽单元的直驱永磁风力发电机永磁体移极齿槽转矩削弱方法,该方法运算简单,能有效的降低齿槽转矩,而且不会引入新的齿槽转矩谐波。 (6)综合运用上述提出的直驱永磁风力发电机分析和设计方法,设计了一台2MW直驱永磁风力发电机,利用Ansoft和Matlab软件进行了电机本体的有限元仿真和系统的性能仿真。在湘电集团有限公司完成了电机的制造和测试,试验结果表明该电机各项性能指标均达到设计要求,试验数据与设计数据十分吻合,从而验证了本文所提出的直驱永磁风力发电机设计分析理论和方法的有效性与正确性。


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