新型雙定子混合勵磁同步風力發(fā)電機設(shè)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)靈活的特點。因此DSHESG電機在變速恒壓風力發(fā)電領(lǐng)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(nèi)外風力發(fā)電系統(tǒng)及永磁風力發(fā)電機拓撲結(jié)構(gòu)的基

2、礎(chǔ)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(shè)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(nèi)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(qū)式永磁風力發(fā)電機的拓撲結(jié)構(gòu)；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(jié)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(shè)計理論與方法。給出了電機設(shè)計的一般化尺寸方程，分析了電機內(nèi)外定子功率分配與電機設(shè)計尺寸參數(shù)之間的關(guān)系，探討了提高電機調(diào)磁能力的電勵磁繞組設(shè)計方法；利用有限元方法分析了電機主要結(jié)構(gòu)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(shè)計奠定了堅實的理論基礎(chǔ)；據(jù)此，給出了一臺8極

4、內(nèi)定子9槽外定子27槽樣機的設(shè)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(jié)構(gòu)模型，結(jié)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(zhuǎn)矩等特性；提出了一種基于單轉(zhuǎn)子永磁體解析分析齒槽轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)電機齒槽轉(zhuǎn)矩的有效方法，并具體分析了DSHESG電機的齒槽轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律；樣機實測結(jié)果驗證

5、了理論分析的正確性，從而為電機的性能分析、設(shè)計及運行控制等奠定了理論基礎(chǔ)。 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(shè)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(shè)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(gòu)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(shè)計了軟件總體設(shè)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