新型双定子混合励磁风力发电机三维有限元分析及实验研究

提出一种新型双定子混合励磁风力发电机,分析电机的结构特点及工作原理,计算电机的空载磁场分布、静态特性及空载特性,并对样机进行实验研究。基于三维有限元方法,采用ANSYS软件计算了电机的空载磁场分布,得到了空载内外定子电枢绕组磁链、内外定子电动势及合成电动势;根据磁链法分别计算了电枢绕组和励磁绕组电感等参数;分析了电机额定转速400 r/min时的空载特性。理论分析与实验结果表明：采用双定子的电机结构可使电机空载相电动势比相同条件下的单定子电机增加约23%;通过调节励磁电流,发电机相电动势在90~110 V之间变化。由圆套筒型整体永磁体组成的串联磁路并设置2个定子的新型电机结构可有效地提高低速电机的发电能力;双定子混合励磁风力发电机具有较好的调磁性能。     

多极隐极发电机励磁绕组匝间短路时的定子分支环流谐波特性

为研究多极隐极发电机励磁绕组匝间短路故障机理,揭示多极隐极发电机励磁绕组匝间短路特性,详细推导了多极隐极发电机空载运行时励磁绕组正常与故障状态下,励磁磁动势、定子空载电动势及故障后定子绕组并联支路间环流的表达式。对比分析了故障前、后定子相绕组感应电动势以及定子分支环流,揭示了转子极对数p与故障后定子感应电动势及定子分支环流谐波次数之间的关系;并对励磁绕组短路位置相同、短路程度不同以及短路程度相同、短路位置不同时的谐波环流特性进行了分析,进而得到了定子分支环流与励磁绕组短路位置及短路程度间的关系。以一台核电半速隐极发电机为例,对励磁绕组同位置、不同程度以及同程度、不同位置的短路过程进行了仿真,仿真结果与解析结果一致,验证了理论推导的正确性,为多极隐极发电机励磁绕组匝间短路故障在线定位提供了理论基础。     

转子偏心对不同绕组形式大型凸极同步发电机支路感应电动势的影响

为了研究转子偏心对不同绕组形式的大型凸极同步发电机的空载支路感应电动势的影响,本文采用"分片模型"和非线性二维时步有限元法对转子偏心及定子斜槽发电机在叠绕组和波绕组时的支路感应电动势进行了计算.与一台3kW、12极的凸极同步发电机空载支路感应电动势实验结果的比较说明了计算方法的准确性,同时相比于波绕组发电机,转子偏心对叠绕组发电机支路平衡性影响更大.     

区分发电机不对称运行和定子绕组匝间短路的故障检测

为了有效检测和辨识发电机定子绕组匝间短路故障,应用交流电机绕组理论分析了定子绕组匝间短路时并联支路感应电动势的频率、幅值和相位以及转子绕组感应电动势的谐波特征.以试验所用的故障模拟发电机为例,分别对发电机不对称运行和定子绕组匝间短路进行了故障特征计算.发现在发电机不对称运行和定子绕组小匝数匝间短路不断恶化时,发电机励磁...     

基于电压闭环的双馈风力发电软切入控制

传统的风力发电并网技术在并网瞬间会产生很大的冲击电流,严重威胁发电机及电力系统的安全.为研究空载并网技术,设计了一套30 kW变速恒频双馈异步风力发电机励磁控制实验系统.根据交流励磁变速恒频风力发电的运行特性,采用背靠背变流器作为双馈异步发电机(DFIG)的励磁源.分析了基于旋转坐标系统下的DFIG的数学模型,采用定子...     

轴向磁通切换型混合励磁同步电机优化分析

提出一种定子分割式轴向磁通切换型混合励磁同步电机,分析电机的电磁特性,进行优化分析。基于三维有限元方法,建立电机的有限元分析模型,获得电枢绕组磁链、空载电动势及绕组电感等参数电磁特性;分析定子槽口宽度、永磁体宽度、定子槽深度及转子齿宽度变化对绕组感应电动势的影响规律。有限元分析结果表明:通过调节励磁电流,线圈磁通变化明显,调磁效果较好;优化分析结果为电机尺寸的确定提供了一定的理论依据。     

基于ANSYS的永磁同步电机场路结合电磁设计方法

提出了一种基于ANSYS Maxwell 2D的永磁同步电机(PMSM)场路结合电磁设计方法。通过ANSYS Maxwell 2D软件分析计算得出PMSM 2D理想电机模型的空载励磁电动势、负载时的励磁电动势、直轴同步电抗和交轴同步电抗参数,并以此修正基于电路和磁路的电磁设计程序中用来计算空载励磁电动势、负载时的励磁电动势、直轴同步电抗和交轴同步电抗参数的校正系数,从而使得PMSM的设计结果更加准确。通过该方法设计了PMSM并进行了试验。试验结果验证了该设计方法的正确性。     

同步发电机空载电压波形的齿磁通计算

为了快速准确计算谐波励磁同步发电机和普通同步发电机的空载谐波电压，提出一种齿磁通法计算谐波电压。利用有限元法，仅计算转子在一个齿距内移动时不同位置处的定子各个齿的磁通，通过绕组与齿的关联关系得到定子绕组感应电动势。该方法考虑了磁路、凸极效应、饱和、绕组布置、齿槽效应以及斜槽的影响。谐波励磁同步发电机上的实验结果与计算结果的比较说明了方法的正确性。该方法计算准确，计算量小，计算速度快。     

双馈风力发电机的空载并网控制研究

通过分析交流励磁变速恒频风力发电机组运行特点,将矢量变换技术应用到发电机并网控制上,应用了一种基于定子磁场定向转子电流开环控制策略,分析了定子电压、频率、幅值及相位的控制规律,建立发电机空载并网仿真模型,对并网前的空载运行、并网的过渡过程进行系统仿真.仿真结果表明,该控制策略有效地控制了发电机的定子电压与电网电压在幅值、相位、频率上的一致,是一种较理想的并网方式.     

基于低励磁法的发电机铁心故障检测研究

本文阐述了基于低励磁方法的发电机定子铁心故障检测原理,并结合发电机定子铁心设计特点,与传统铁心损耗检测方法进行了比较。给出了采用低励磁方法进行多台发电机定子铁心故障检测的应用实例及应用中的注意事项,实例表明采用低励磁方法对发电机定子铁心故障检测简便、有效。     

A Novel Dual-Stator Hybrid Excited Synchronous Wind Generator

This paper presents a novel dual-stator hybrid excited synchronous wind generator and describes its structural features and operation principle. The no-load magnetic fields with different field currents are computed by 3-D finite-element method. Static characteristics, including the flux-linkage and EMF waveforms of stator windings, and inductance waveforms of armature windings and field winding, are analyzed. The simulation results show that due to the dual-stator structure, the air-gap magnetic flux can be easily controlled, while the output voltage can be increased effectively. Tests are performed on the prototype machine to validate the predicted results, and an excellent agreement is obtained.      

不同转子结构离网型永磁同步发电机的电磁性能分析

以一台400w离网型永磁同步风力系统所用永磁同步发电机为研究对象,分别就两种转子结构建立了二维电磁场模型,对发电机在额定转速时的空载电压以及负载电磁参数进行了有限元计算。并将样机结构的计算结果与实测结果进行了比较,误差较小。同时对两种结构发电机的齿槽转矩进行了计算分析。对离网型永磁同步风力发电机的深入研究具有重要的参考价值。     

Smoothing of Wind Power Fluctuations for Permanent Magnet Synchronous Generator-Based Wind Energy Conversion System and Fault Ride-through Consideration

Due to the increment of penetration level of wind power generation, output power fluctuation is one of the most important issue's that can destabilize the power system operation. This article mainly deals with the smoothing of the output power fluctuations of a wind energy conversion system based permanent magnet synchronous generator and fault ride-through enhancement during a grid fault. The concerned wind energy conversion system based permanent magnet synchronous generator adopts an AC-DC-AC converter system. The proposed control method limits the wind energy conversion system output power by adjusting the pitch angle of the wind turbine blades when wind speed is above the rated wind speed. In the grid-side converter, a fuzzy logic controller is used to determine the torque reference for which the kinetic energy stored by the inertia of wind turbine can smooth the output power fluctuations of the permanent magnet synchronous generator. Also, the DC-link voltage, controlled by the grid-side inverter, is adjusted in accordance with the output power fluctuations of the permanent magnet synchronous generator using a voltage smoothing index. Moreover, in this aticle, the proposed method ensures that the wind turbine stays operational during grid faults and provides fast restoration once the fault is cleared. To show the effectiveness of the proposed method, simulations under different conditions have been performed by using MATLAB/Simulink® (The Math Works, Natick, MA, USA).     

直驱式永磁同步风力发电机性能研究

通过等效磁路法设计了额定功率1.5MW的直驱式永磁风力发电机;为了深入研究额定功率1.5MW的直驱式永磁风力发电机的运行特性,采用场路结合法分析了永磁风力发电机在空载、额定负载和短路情况下的运行特点,并验证了所设计永磁风力发电机的可行性;在此基础上,将极孤系数、负载变化对永磁同步发电机输出功率的影响进行了仿真;对比研究了每极每相槽数对永磁同步发电机性能的影响.结果表明:极槽匹配对直驱式风力永磁发电机性能有很大影响;通过合理选择极数、槽数以及极弧系数,可以减少输出电压谐波分量的影响,降低永磁材料的使用,节省成本,有助于直驱式风力永磁发电机获得良好的性能.     

磁极不等厚对兆瓦级永磁直驱风力发电机的影响

为了研究不等厚磁极结构对兆瓦级直驱式永磁同步风力发电机影响,首先计算了电机的齿槽转矩,并建立瞬态电磁场模型,利用时步有限元法对发电机的电磁场和输出特性进行了计算.在此基础上,分析了磁极偏心距的变化对电机齿槽转矩、空载气隙磁场分布以及在负载情况下对输出特性的影响.结果表明,采用不等厚磁极可以影响发电机的齿槽转矩,优化气隙...     

风力发电机电机空载试验方法及技术要求的分析与研究

提出了风力发电机中感应发电机、双馈发电机、电励磁同步发电机空载特性和空载损耗试验方法和永磁同步发电机空载试验的技术要求。并总结了一些试验设备的技术指标。     

双馈风力发电机机端三相短路电流分析

为研究双馈风力发电机的低电压穿越问题以及风电场的继电保护问题,分析了双馈风力发电机在空载同步转速下机端发生三相短路时定、转子短路电流的近似表达式.在此基础上,从双馈风力发电机内部的电磁关系出发,分析了电压跌落程度、无功功率、转速等运行状态对双馈发电机短路电流的影响,并以0.85 MW双馈风力发电机直接接入电网为例进行仿真研究,其结果验证了双馈机机端发生三相短路时定、转子电流的暂态特性,由此也为研究双馈机低电压穿越能力及风电场继电保护问题提供了理论依据.     

Recurrent modified Elman neural network control of PM synchronous generator system using wind turbine emulator of PM synchronous servo motor drive

The recurrent modified Elman neural network (NN) controlled a permanent magnet (PM) synchronous generator system, which is driven by wind turbine emulator of a PM synchronous motor servo drive, is developed to regulate output voltage of rectifier (or AC to DC power converter) and inverter (or DC to AC power converter) in this study. First, the wind turbine emulator of a closed loop PM synchronous motor servo drive is designed to produce the maximum power for the PM synchronous generator system. Then, the rotor speed of the PM synchronous generator, the output DC bus voltage and current of the rectifier are detected simultaneously to yield maximum power output of the rectifier through DC bus power control. Because the PM synchronous generator system is a nonlinear and time varying dynamic system, the online training recurrent modified Elman NN control system is developed to regulate DC bus voltage of the rectifier and AC line voltage of the inverter in order to improve the control performance. Furthermore, the online training recurrent modified Elman NN control system with the variable learning rate is derived based on Lyapunov stability theorem, so that the stability of the system can be guaranteed. Finally, some experimental results are verified to show the effectiveness of the proposed recurrent modified Elman NN controlled PM synchronous generator system.     

定子斜槽十二相发电机-整流系统的非线性二维场-路耦合方程

本文提出了采用二维有限元技术近似计算定子斜槽时电机内三维电磁场的新方法,阐述了其计算原理.基于此方法,建立了考虑定子斜槽时十二相(四Y移15°相带)同步发电机整流系统的非线性二维瞬态涡流"场-路"耦合方程,并对电机内的电磁场以及空载电势波形进行了计算,分析了定子斜槽对齿谐波电势的削弱作用,得出了与谐波磁导分析法完全相同的结论,验证了二维有限元技术计算斜槽电机内电磁场的可行性和有效性.     

变速恒频双馈感应发电机的空载特性

针对在实际情况中风速的随机性变化会导致风力发电机输出的电压、频率波动,建立了基于Martlab下双馈感应发电机空载模型和定子磁链定向的矢量控制模型;依据电磁场基本理论,将电机电磁场的有限元计算与外部电路相结合,建立了双馈感应发电机的场路耦合数学模型,并计算出空载运行时不同转速下发电机的特性曲线.通过一台3.5 kW的6极电机进行了仿真和空载实验.仿真结果与实验结果对比表明,系统具有良好的动态性能,能够很好满足变速恒压恒频运行;电机性能的分析为进一步改进风力发电机的电磁性能和发电质量提供参考.