變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、變速永磁同步發(fā)電機PWM整流器具有發(fā)電機電流諧波分量小、功率因數(shù)可調、直流電壓波動小、能量可雙向流動等特點，可廣泛應用于特種車輛供電、船舶供電、混合動力汽車、新能源發(fā)電等領域。本文以變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，采用理論分析、軟件仿真以及實驗驗證相結合的研究方法，主要在PWM變流器控制下永磁發(fā)電機的設計與優(yōu)化、變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的控制策略、永磁同步發(fā)電機諧波分析與抑制等方面進行了研究，具體內容如下:
　　首先，本文介紹了變速永

2、磁同步發(fā)電系統(tǒng)的基本結構，闡述了發(fā)電機和變流器的基本工作原理，建立了永磁同步發(fā)電機和PWM整流器的數(shù)學模型，為后續(xù)各章節(jié)的研究工作奠定基礎。研究了變速永磁同步發(fā)電機在變流器控制條件下的運行特性，對PWM變流器isd=0矢量控制條件下永磁發(fā)電機的定子電壓平衡方程、直流母線電壓與定子電壓之間的約束關系進行了推導;對永磁發(fā)電機定子電壓和功率因數(shù)會隨電磁功率變化而改變的規(guī)律進行了研究，闡明了變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)有功功率調節(jié)的基本原理;對變速永磁

3、同步發(fā)電系統(tǒng)機側變流器在isd=0矢量控制條件下的重要運行特點進行了提煉。
　　其次，本文對PWM變流器控制下永磁發(fā)電機的設計與優(yōu)化進行了深入研究。永磁同步發(fā)電機(PMSG)與變流器構成可控發(fā)電系統(tǒng)后，其定子側接入電壓不再是幅值恒定的連續(xù)正弦波，而是包含多種諧波的脈寬調制波。因此永磁發(fā)電機的電壓、電流以及運行特性都受到PWM變流器的控制方法、器件參數(shù)等因素約束，傳統(tǒng)直接并網(wǎng)的同步發(fā)電機設計與分析模型不再適用于變速永磁同步發(fā)電機中。

4、本文將經典電機設計理論中的“磁路計算”和“參數(shù)計算”方法與變速永磁同步發(fā)電機的矢量控制基本原理相結合，提出了一種變速永磁同步發(fā)電機的設計分析模型?；谠撃Ｐ停\用模擬退火算法(SimulatedAnnealing，SA)對840kW的永磁同步發(fā)電機進行了以效率最優(yōu)為目標的優(yōu)化設計，對電機的主要尺寸、槽型進行了進一步優(yōu)化，得到了電機更加理想的運行效率。最后運用有限元方法和MATLAB仿真分析，對840kW永磁同步發(fā)電機進行了空載有限元仿真

5、和負載情況下的運行仿真，通過仿真結果驗證了本文所提出的優(yōu)化設計方法具有工程使用價值。
　　再次，本文對變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)PWM變流器控制策略進行了研究。在PMSG-PWM相量圖和數(shù)學模型的基礎上，對變流器isd=0、恒端電壓和單位功率因數(shù)三種控制策略進行了研究，理論分析并推導了變速永磁同步發(fā)電機在不同控制策略下的穩(wěn)態(tài)運行特性，總結了發(fā)電機定子相電壓、相電流、功率因數(shù)和極限功率的變化規(guī)律。并且基于這三種控制策略，提出了一種適用于變

6、速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的復合控制策略，使永磁同步發(fā)電機可以適用不同負載不同轉速時的各種工況，提高了發(fā)電機的運行效率。文章在分析了永磁同步發(fā)電機模型的基礎上，提出一種基于估算電流模型的無速度傳感器控制方法，該方法根據(jù)已知的參數(shù)得到等效電機模型推算出估算電流值，以檢測到的實際電流值和估算電流值之間的誤差來校正估算速度，再對估算速度積分得到轉子位置。該方法在高速運行時非常穩(wěn)定，最大速度誤差低于0.2％，低速運行帶載能力強，這大大擴展了永磁同步發(fā)電

7、機的運行范圍，克服了傳統(tǒng)算法適用范圍有限、魯棒性差、與其他算法結合存在狀態(tài)切換導致不穩(wěn)定的缺點。
　　然后，本文對永磁同步發(fā)電機諧波分析與抑制進行了研究。在變速永磁同步發(fā)電機中，由于電機鐵心開槽引起的氣隙磁導不均勻和定子繞組空間分布不均勻會產生空間諧波磁場，并且永磁同步發(fā)電機和PWM變流器相連，變流器的調制使定子電流含有時間諧波而產生的磁場，從而產生諧波損耗。因此，對變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)中的諧波產生機理進行分析顯得尤為重要。本文對

8、永磁同步發(fā)電機的空間諧波磁動勢進行了分析，并且針對整流器常用的SVPWM調制方法，分析了基于矢量控制的SVPWM調制策略下，調制比與載波頻率對永磁同步發(fā)電機各區(qū)域損耗的影響，并應用Ansoft聯(lián)合仿真對SVPWM調制策略下調制比與載波頻率對永磁同步發(fā)電機諧波損耗影響的規(guī)律進行研究。
　　最后，本文對變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)進行了實驗研究。完成了840kW交流永磁發(fā)電系統(tǒng)樣機的設計和制造，搭建了840kW永磁同步發(fā)電機整流器的實驗平臺，