新型雙定子混合勵磁同步風力發(fā)電機設計及控制研究.pdf

1、雙定子混合勵磁同步風力發(fā)電機(DSHESG)是一種綜合雙定子發(fā)電機和混合勵磁同步發(fā)電機優(yōu)點的新型同步風力發(fā)電機。雙定子結構的引入，可以有效地提高發(fā)電機的功率密度；而混合勵磁的勵磁方式，則使發(fā)電機不僅具有永磁電機的諸多優(yōu)點，又具有電機磁場調節(jié)靈活的特點。因此DSHESG電機在變速恒壓風力發(fā)電領域具有廣闊的應用前景。 為提高低速風力發(fā)電機的功率密度和降低輸出電壓的控制復雜程度，在廣泛研究國內外風力發(fā)電系統(tǒng)及永磁風力發(fā)電機拓撲結構的基

2、礎上，本文創(chuàng)新性地提出了一種風力發(fā)電用DSHESG電機，對該電機的分析理論、設計方法、電磁特性、數(shù)學模型以及勵磁閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真等進行了較為全面深入的研究，試制了樣機，開發(fā)了基于DSP的DSHESG電機數(shù)字化勵磁控制系統(tǒng)，并搭建了試驗平臺，進行了比較系統(tǒng)的試驗研究。主要研究工作和成果如下： 闡述了國內外風力發(fā)電研究現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有風力發(fā)電系統(tǒng)及直驅式永磁風力發(fā)電機的拓撲結構；概述了混合勵磁同步發(fā)電機和雙定子電機的分類及研究現(xiàn)狀；

3、結合風力發(fā)電等低速發(fā)電場合的運行特點，提出了一種綜合混合勵磁同步發(fā)電機和雙定子電機優(yōu)點的風力發(fā)電用新型DSHESG電機。 研究了DSHESG電機的電磁設計理論與方法。給出了電機設計的一般化尺寸方程，分析了電機內外定子功率分配與電機設計尺寸參數(shù)之間的關系，探討了提高電機調磁能力的電勵磁繞組設計方法；利用有限元方法分析了電機主要結構參數(shù)對電機性能的影響規(guī)律，為此類電機初步方案的確定和優(yōu)化設計奠定了堅實的理論基礎；據(jù)此，給出了一臺8極

4、內定子9槽外定子27槽樣機的設計方案，并試制了電機樣機。 基于三維有限元方法建立了DSHESG電機的有限元分析結構模型，結合樣機試驗對電機電磁特性進行了較為全面深入的研究。具體包括繞組磁鏈、繞組感應電動勢、繞組電感、齒槽轉矩等特性；提出了一種基于單轉子永磁體解析分析齒槽轉矩的新方法，基于此，探討了通過改變兩定子間的相對位置角削弱具有雙定子結構電機齒槽轉矩的有效方法，并具體分析了DSHESG電機的齒槽轉矩變化規(guī)律；樣機實測結果驗證

5、了理論分析的正確性，從而為電機的性能分析、設計及運行控制等奠定了理論基礎。 雙定子對應相繞組相軸間不同的相對位置對DSHESG電機功率密度有較大影響，而當兩相軸位置重合時功率密度最大，為此推導了定子繞組相軸位置與電機設計參數(shù)之間的解析表達式，可快速準確計算繞組相軸位置；槽導體電動勢星形圖、有限元方法及實驗驗證了解析分析的正確性，為合理地設計安裝DSHESG電機的雙定子提供了理論依據(jù)。 建立了DSHESG電機的數(shù)學模型，主

6、要包括磁鏈方程、電壓平衡方程、功率平衡方程及機械運動方程等；基于MATLAB建立了模塊化、功能化的電機本體及勵磁控制系統(tǒng)仿真模型，為實現(xiàn)電機恒壓發(fā)電控制及最大風能捕獲提供了良好的仿真平臺；深入研究了不同控制算法對電機動態(tài)性能的影響規(guī)律。 構建了基于TI公司定點DSP芯片TMS320F2812的DSHESG電機數(shù)字化勵磁控制系統(tǒng)，制作了硬件電路，分析并設計了軟件總體設計方案，編寫了勵磁控制程序代碼，為驗證電機勵磁控制系統(tǒng)的仿真分析