10MW多相分瓣永磁直驱风力发电机设计研究

海上风力发电是未来风力发电的主要方向,直驱永磁同步发电机相对于中速、高速风力发电机结构简单,便于维护,缺点是随着电机容量增大,体积增大给设备安装和运输带来不便,大容量直驱永磁同步发电机轻量化、模块化设计将是本文主要研究方向。与传统发电机相比,多相永磁发电机可靠性强,容错性高,转矩波动小,功率密度高,因此本文基于模块化设计理念以及多相发电机的电磁设计理论,提出了一种分瓣、六相永磁直驱风力发电机设计方案。基于有限元分析,对不同槽极配合的发电机的齿槽转矩和反电势进行对比分析,确定合适的电机极槽比设计方案,同时基于场路耦合分析,对永磁同步电机的负载及永磁体在极端工作情况下的退磁进行研究,基于以上分析计算,得出一种六相10MW外转子永磁直驱发电机设计方法,并证明了该方案的可行性和有效性。     

永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋向

永磁电机具有功率密度大、效率高和运行可靠等优点,在风力发电系统中得到广泛的应用。然而由于稀土永磁材料的成本较高,永磁风力发电机也面临着如何提高性能价格比的挑战。本文在对比分析高速、中速和低速直接驱动风力发电系统的特点与性能的基础上,阐述了永磁风力发电机的关键设计技术;分析了电机结构、极数和槽数配合对于电机性能的影响,防止永磁体失磁的方法以及发电机与变流器参数的合理匹配问题。此外,还论述了永磁风力发电机设计与控制技术的发展趋向。     

一种新型组合式横磁通永磁风力发电机

在研究现有横磁通永磁电机结构的基础上,提出一种新型横磁通永磁风力发电机设计,其高转矩密度、低速、无刷化的特点非常适宜在直驱式风力发电系统应用。发电机整体由多模块组合而成,每个模块采用组合式定子结构可以降低加工难度,聚磁式转子设计显著提高了每极磁通。该电机各相之间实现了电磁和结构的双重解耦,设计自由度大,在综合考虑转矩密度和漏磁比例的基础上确定了电机的主要尺寸。通过三维有限元法进行了样机的磁场分析和性能计算,研究表明横磁通永磁发电机的输出电压调整率比传统永磁同步发电机小,输出电压的稳定度高。样机实验与计算结果基本吻合,验证了设计方法的正确性。     

新型无铁心永磁直驱风力发电机

针对传统永磁直驱风力发电机结构重量大、齿槽转矩严重、定转子之间存在电磁吸力并存在铁心损耗等问题,采用Maxwell2D软件,优化了传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和厚度.在转子直径不变的情况下,对定、转子材料不同的三种永磁直驱风力发电机进行了建模和仿真,比较分析了这三种发电机的优缺点,提出了新型无铁心永磁直驱风力发电机.仿真和计算结果表明:加入Halbach列后的新型无铁心永磁直驱风力发电机是一种重量较轻、气隙磁密相对较高的电机.     

磁齿轮传动永磁同步风力发电机分析

为克服传统永磁同步风力发电机中齿轮增速装置存在机械磨损和噪声等问题,分析研究了一种磁齿轮传动永磁同步风力发电机。利用Ansoft软件,建立了电机的二维有限元结构模型,计算其磁场分布,分析了电机的气隙磁密、感应电动势和电磁转矩等电磁特性。结果表明,磁齿轮传动永磁同步发电机具有较好的转矩传输比,可靠性较高,适合在风力发电系统中应用。     

应用于风力发电机的永磁双转子电机

永磁双转子电机是由一个定子和内、外二个转子构成的新颖的复合电机,该电机具有异步电动机运行的特点,且兼顾同步电机的电气特性。基于永磁双转子电机这一特点,应用于风力发电机,与传统的风力发电系统相比,具有发电系统简单、维护方便等优势,同时可提高发电系统的功率因数、效率和可靠性,并可明显降低风力发电系统的投资费用等。     

2.1MW高速永磁风力发电机的研究

常规的风力发电机主要包含双馈异步风力发电机、永磁半直驱风力发电机和永磁直驱风力发电机,上述机型分别具有噪声较大、机械磨损程度高、发电系统复杂、有齿轮箱故障率较高,低电压穿越能力较低,转速较低导致极对数多、体积大、磁钢用量大、价格昂贵等缺点,为了解决上述电机的问题,设计出采用冲片结构的2.1 MW高速永磁风力发电机,通过电磁分析和机械应力分析,该电机各方面符合工业生产要求,最后通过样机的实验结果,验证该样机符合设计的要求。     

极槽匹配对直驱式永磁风力发电机性能的影响

直驱式永磁风力发电机具有高效率、运行可靠和结构简单等优点,如何通过适当选择定子槽数及极数来改善发电机的性能、降低成本,是直驱式永磁风力发电机设计的一个重要问题。本文以输出功率为1.5MW的直驱式永磁风力发电机为例,根据风力发电系统中永磁发电机低转速、多极数、大体积的特点,基于场路耦合有限元法对风力发电机的性能进行分析。在发电机体积相同的情况下,比较和分析了定子槽数和极数对永磁风力发电机的性能的影响。     

基于变流器控制策略的直驱永磁风力发电机优化设计

直驱永磁风力发电机通过一个背靠背全功率变流器与电网相连,因此传统基于电网电压的直接并网同步发电机设计与分析模型不再适用于直驱永磁风力发电机。本文提出了一种新的直驱永磁风力发电机的设计分析模型,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,能更准确地反映直驱永磁风力发电机的实际运行状况。基于该模型,运用遗传算法对1.5MW、3MW、5MW、7MW和10MW五种功率等级的永磁直驱风力发电机进行了以材料成本最低为目标的优化设计,设计结果表明电机的重量和成本都得到了下降。最后运用有限元方法,对10MW永磁直驱风力发电机进行了空载、负载的性能仿真分析,仿真结果验证了本文提出的设计模型和优化设计方法的正确性。     

大型定子内永磁风力发电机的设计

提出新型定子内永磁发电机的基本结构和工作原理,根据国内风力发电设备生产和应用的实际情况,进行1.5 MW定子内永磁风力发电机的设计工作.接着提出定子内永磁风力发电机的主要设计参数和设计原则,最后给出直接驱动定子内永磁风力发电机的设计实例.设计和分析结果表明大型定子内永磁风力发电机设计方案的可行性和正确性.     

大功率永磁同步风力发电机电磁与温度特性分析

海上风电正在成为风力发电产业发展的主要方向,而随着装机容量的逐渐增加,大功率永磁风力发电机正成为国内外学者的研究热点。而目前对风力发电机的研究多集中在3MW以下的中等功率的样机,针对大功率的永磁风力发电机尚缺少相应的设计经验和参考。本文以7.6MW的永磁同步风力发电机为研究对象,对大功率永磁风力发电机的电磁特性进行了详细的分析,包括空载电磁特性、有无斜槽时的转矩波动与谐波分析、负载转矩波动等。同时对大功率的永磁风力发电机设计了冷却方案,基于3D有限元法对该电机的温度特性进行了详细的分析。在此基础上,加工了两台7.6MW样机,通过两台样机的对拖实验,验证了本文的理论分析。     

直驱永磁风力发电机永磁体抗失磁能力分析

稀土永磁电机由于其效率高、转矩密度高、功率密度大、控制性能好等特点被广泛应用于风力发电领域,但是永磁体内的磁场波动与电机内的电流和温度相互影响,有发生不可逆失磁的风险,会影响发电机运行的稳定性。以1.5 MW直驱永磁风力发电机为研究对象,从永磁材料的退磁机理、故障电流对永磁体的影响、涡流损耗、永磁体温升的计算和试验等方面进行分析,为大功率直驱永磁风力发电机的设计提供了参考。     

1.5MW直驱永磁风力发电机性能研究

分析了极数、槽数和相数对直驱永磁风力发电机性能的影响,以及减小齿槽转矩和提高输出功率的极、槽配合和极弧系数的选取方法。运用等效电路模型设计额定功率为1.5 MW、78极324槽的直驱永磁风力发电机,基于ANSOFT有限元法,研究了直驱永磁风力发电机在额定、短路情况下的运行特点,并进行了发电机运行特性理论分析和实验研究,通过仿真和实验验证了所设计直驱永磁电机的可行性和实用性。     

兆瓦级永磁同步风力发电机无速度传感器矢量控制方法研究

针对兆瓦级永磁同步风力发电直驱系统应用,提出一种基于锁相环模型和模型参考自适应原理的永磁同步风力发电机无速度传感器矢量控制方法.该方法采用软件锁相环模型锁相定子电压,并以此为基础,根据模型参考自适应原理,建立转子位置定向调节器,实现矢量控制坐标系的准确定向.应用所提方案于兆瓦级永磁同步风力发电机的矢量控制系统,实验结果表明,在电机可能运行的速度范围内,该算法工程实现较简单、系统鲁棒性强,动态响应快,从而验证了所提控制算法的正确性和可行性.     

直驱永磁同步风力发电机单位功率因数控制

针对采用传统矢量控制的直驱永磁同步风力发电机存在电机运行功率因数降低的问题,提出一种适用于采用双脉宽调制变换器并网的永磁同步发电机单位功率因数运行控制策略.所提方案在实现永磁直驱风电系统最大风能捕获控制的基础上,通过控制电机侧变换器使电机d轴控制电压为零来实现永磁同步发电机的单位功率因数运行控制.系统仿真和实验结果表明:采用所提运行控制策略可有效实现永磁同步发电机的单位功率因数运行,有助于减小电机侧变换器的运行容量,同时该发电系统可实现最大风能跟踪控制、并网有功和无功功率独立控制以及变速恒频发电运行.     

基于永磁双转子电机调速的新型风力发电系统设计

提出一种新型风力发电系统,风力机与发电机之间采用永磁双转子电机调速,与电网连接的最后一级采用常规同步发电机,它克服了双馈和直驱风力发电系统的缺点,具有常规同步发电机的电能质量和优秀的并网能力。永磁双转子调速电机具有双机械端口、单电气端口,从而可以实现电能和机械能的同时传递与调节。详细介绍了永磁双转子电机的工作原理,依据永磁电机的基本电磁关系,推导并建立了双转子电机的数学模型。根据在风力发电系统中风力机的工作状态,提出了双转子电机的控制策略。仿真和试验结果表明了理论分析的正确性和设计的可行性。     

聚磁式场调制永磁风力发电机工作原理与静态特性

提出一种新型聚磁式场调制永磁(Flux-Concentrating Field-Modulated Permanent-Magnet,FCFMPM)电机,该电机外转子采用聚磁式永磁体结构改善气隙磁通密度,定子采用开口槽结构提高空间利用率.基于磁齿轮效应,定子齿对转子永磁磁场进行调制,产生极对数少、运行速度快的谐波磁场,由该谐波磁场作为有效励磁的FCFMPM电机具有低速、大转矩密度的特点.在深入分析电机工作原理的基础上,运用二维有限元方法计算了其静态特性,包括空载永磁磁链、空载感应电动势、电感、定位力矩和电磁转矩等.研制了一台5kW实验样机,并与商业化小型永磁直驱风力发电机做比较.仿真和实验结果表明,所提电机具有转矩密度大、定位力矩小、外特性硬等特点,特别适用于如风力发电等低速、直驱系统.     

高速永磁同步风力发电机的设计研究

开发具有高功率密度的高速永磁同步发电机是风力发电机设计领域的一个重要方向。以一种用于储能风力发电系统的360 k W、7 000 r/min永磁同步风力发电机为例,对高速永磁同步电机的设计进行了分析。在此基础上对设计的电机进行了有限元仿真分析,仿真结果表明该电机电压波形畸变率低,齿槽转矩较小,能满足设计要求。电机高速旋转时,永磁体将受到巨大的离心力。为保护永磁体不受损害,采用了螺钉对永磁体固定并进行碳纤维套绑扎的新转子保护措施。经有限元分析,该措施能对永磁体形成有效保护。在上述研究的基础上,进行了样机的制造和试验,试验结果表明,电磁方案和转子保护措施能够满足设计要求。     

基于Halbach阵列的永磁风力发电机的设计与优化

为提高电机气隙磁密的正弦度以提升电机的性能,将Halbach阵列应用于直驱式外转子永磁同步风力发电机。设计了一台1.2MW直驱式永磁同步风力发电机,通过有限元法对比分析了不同Halbach充磁阵列和传统径向充磁阵列电机的气隙磁密及感应电势波形,仿真结果显示45度Halbach永磁阵列永磁电机的气隙磁密波形和感应电势波形的正弦度最高且谐波含量最低,发电效果最佳。针对45度Halbach阵列永磁同步风力发电机进行了温度场仿真,结果表明,电机不存在局部过热情况,设计的Halbach阵列永磁同步风力发电机能够稳定运行。     

基于无速度传感器矢量控制的电机工程参数辨识

风力发电系统中发电机控制是比较重要的环节,各种风力发电机的控制算法在一定程度上依赖于准确的电机参数。首先分析了永磁同步发电机的数学模型及其控制策略,在分析一种基于锁相环模型和模型参考自适应原理的PMSG无速度传感器矢量控制方法的基础上,提出一种具有较强工程应用价值的永磁同步发电机的参数辨识方法。最后给出了各参数辨识的仿真模型和仿真结果。仿真研究结果验证了该控制方法的正确性和可行性。