直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是最有效的風(fēng)能利用方式。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用無刷無環(huán)的永磁同步發(fā)電機(jī)作為主發(fā)電機(jī)，取消了齒輪箱傳動裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、維護(hù)率和故障率低等特點(diǎn)，同時也具備了在惡劣環(huán)境下工作的能力，因此適合于海上大容量風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向，是符合風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢的一種機(jī)型。
　　本文針對直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)開展研究工作，主要包括以下幾

2、個方面:
　　(1)介紹了當(dāng)前典型的并網(wǎng)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，闡述了風(fēng)輪機(jī)的基本原理與功率特性、直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型及其控制策略、直流母線環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制方式以及最佳風(fēng)能捕獲原理，為后續(xù)各章節(jié)的研究工作奠定基礎(chǔ)。
　　(2)直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)通過一個背靠背全功率變流器與電網(wǎng)相連，電流和輸出功率受到機(jī)側(cè)變流器的控制，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性和設(shè)計(jì)方

3、法具有其特殊性，因此準(zhǔn)確分析變流器控制條件下直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，建立符合發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的設(shè)計(jì)模型是直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。本文研究了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在變流器控制條件下的運(yùn)行特性，推導(dǎo)了在機(jī)側(cè)變流器isd=0矢量控制條件下發(fā)電機(jī)定子電壓平衡方程、定子電壓與直流母線電壓之間的約束關(guān)系;研究了發(fā)電機(jī)定子電壓、功率因數(shù)隨電磁功率變化而變化的規(guī)律，闡明了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功功率調(diào)節(jié)的基本原理;提煉了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在機(jī)側(cè)

4、變流器isd=0矢量控制條件下的重要運(yùn)行特點(diǎn)，這將為下一章新的設(shè)計(jì)模型的提出奠定了理論基礎(chǔ)。
　　(3)分析了傳統(tǒng)直接并網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)分析方法在分析設(shè)計(jì)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)時的缺陷和局限性。并將直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量控制原理與經(jīng)典電機(jī)設(shè)計(jì)“磁路計(jì)算”和“參數(shù)計(jì)算”有機(jī)結(jié)合起來，提出了基于變流器控制策略的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)模型，該模型綜合考慮了變流器電流矢量控制策略對發(fā)電機(jī)特性和性能的影響，能更準(zhǔn)確的反應(yīng)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

5、特性，并通過仿真和對比分析和試驗(yàn)研究的方式驗(yàn)證了本文提出的設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性。
　　(4)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、體積龐大，其極數(shù)、極數(shù)/槽數(shù)匹配、永磁體尺寸等關(guān)鍵電磁參數(shù)具有很大的選擇空間，因此準(zhǔn)確分析各電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)對電機(jī)性能和電機(jī)體積重量的影響是對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵前提條件。本文研究了變流器控制條件下的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)對性能和體積重量的影響，建立了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)分析解析模型。利用該模型研究了發(fā)電機(jī)極數(shù)與發(fā)

6、電機(jī)主要尺寸、電感參數(shù)和鐵心損耗之間、極槽配合與發(fā)電機(jī)繞組系數(shù)、電動勢波形之間、永磁體厚度和寬度與空載磁密、電動勢、電感參數(shù)和鐵心損耗之間、匝數(shù)和發(fā)電機(jī)性能之間的解析關(guān)系，得到了一系列有價值的結(jié)論，并通過直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)化電磁設(shè)計(jì)驗(yàn)證了上述結(jié)論。
　　(5)齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)的固有特性，直接影響到直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的切入風(fēng)速和能量捕獲，因此如何降低齒槽轉(zhuǎn)矩也是直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵問題。本文分析了永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

7、產(chǎn)生的機(jī)理，討論了永磁電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與齒槽轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，介紹了選擇合理極槽配合、改變電樞參數(shù)和改變永磁體參數(shù)來削弱永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。通過研究不同極槽配合下單個永磁體和永磁電機(jī)總齒槽轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，提出了永磁電機(jī)基本齒槽單元的概念，整個電機(jī)永磁體可劃分為若干個基本齒槽單元，每個基本齒槽單元產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩在幅值和相位上完全相同。建立了基于齒槽單元的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)永磁體移極齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法，該方法運(yùn)算簡單，能有效的降低齒槽轉(zhuǎn)矩，而且