九相磁通切换型永磁风力发电机设计与分析

发布时间：2020-05-05 06:29

【摘要】：资源短缺与环境污染加剧是当今人类社会可持续发展面临的主要问题,大力发展包括风能在内的可再生能源是解决此问题的根本措施。多相永磁电机具有转矩密度高、效率高、转矩脉动小、容错能力强等优点,且易于实现低压大功率传动,特别适合于海上风力发电系统高可靠性、大功率容量的性能要求。本文将多相电机的概念和定子永磁型无刷电机相结合,提出了一种九相磁通切换型永磁(Nine-Phase Flux-Switching Permanent-Magnet,NPFSPM)风力发电机,研究内容涉及NPFSPM电机结构与电磁参数的选取原则、设计方法、优化过程及其电磁特性分析。基于优化的电机设计方案,制造了一台九相10kW原理样机,并搭建了基于该样机的直驱风力发电模拟实验平台,对电机本体性能及其发电系统最大风能跟踪控制开展了实验研究。论文主要研究内容与成果:1.提出了一种九相磁通切换型永磁发电机,在介绍其基本结构和运行原理的基础上,通过对九相绕组磁动势谐波进行分析,确定NPFSPM电机的绕组连接方式。通过对比研究分析不同齿槽配合对电机性能的影响,确定本文所设计的电机齿槽配比。2.推导了NPFSPM电机的功率尺寸方程,并结合性能需求确定了电机初始设计参数。借助有限元仿真软件,分别从提高电机功率密度与永磁体利用率的角度,对影响电机性能的主要结构参数进行了单参数扫描,确定了参数的优化区间;进一步,以减小定位力矩、减小损耗、增加电磁转矩为目标,进行了多目标优化,最终确定原理样机的设计参数。基于优化的结构设计方案制作了一台额定功率为10 kW的NPFSPM原理样机。3.采用二维有限元分析方法,对所提NPFSPM电机的磁场分布、气隙磁密、空载永磁磁链、空载感应电动势、绕组电感、定位力矩和加载时的电磁转矩等静态电磁特性进行了分析;利用三维有限元分析方法研究了电机的端部效应,并利用端部漏磁系数修正了样机的二维设计参数;采用瞬态联合仿真方法,对电机发电运行时的内功率因数角和电压调整率等主要性能参数进行了分析计算,验证了基于所提设计方法的可行性和有效性。4.针对断路故障状态下的NPFSPM电机,分别提出了基于铜耗最小原则和最少控制变量原则的两种容错控制策略,并采用拉格朗日乘数法有效求解了两种方案下的最优容错电流值,仿真结果验证了该NPFSPM具备断路故障无扰运行的容错能力。其次,针对短路故障提出并分析了包含36槽/34极(含容错齿结构)、36槽/34极单层绕组连接(包含两种连接方式)、36槽/35极单层绕组连接等四种具有容错功能的NPFSPM电机,进一步分析这四种不同结构的电机静态特性,重点比较了短路电流的限制能力。5.从基本电磁定律出发,结合NPFSPM电机运行原理,分别建立了NPFSPM电机在九相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型。在此基础上结合有限元分析结果,利用MATLAB/SIMULINK仿真平台,搭建了NPFSPM电机本体仿真模型,仿真结果验证了模型的正确性。进一步搭建了以直流电机模拟风力机、以所提NPFSPM电机为发电机的直驱风力发电系统仿真模型,仿真分析了该系统的运行特性和最大风能跟踪控制方法。6.搭建了基于NPFSPM样机的风力发电模拟实验平台,并建立了以dSPACE1005为核心的软硬件结合、多层次保护的测控电路,对原理样机本体进行了空载和负载测试,验证了电机设计理论分析和有限元计算的准确性和有效性;以实现最大风能跟踪控制为目标,基于最佳转矩反馈法,采用多维空间电压矢量控制方法,实验研究了发电系统的动稳态性能,验证了所提控制策略的有效性。
【图文】：

也逐渐意识到大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不诱发了不少国家、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。人类在深刻反思过去，严肃地提出了未来的发展模式——必须走可持续发展的道路！在 21 世纪，没有任何持续发展”那样能够引起全人类的关注，因为这关系到人类文明的延续。毫无疑问，发展的战略目标，可持续能源供应的支持是必不可少的。因此，人类必须寻求一种清可靠的新的可持续能源系统[1]。持续能源亦即可再生能源，是指通过自然力的作用可以不断循环再生的能源，主要包能、生物质能、海洋能、潮汐能、地热能等。把可再生能源通过一定的技术手段从非能，并加以利用，这种技术就是可再生能源的发电技术。从某种意义上来讲，这也是技术[2][3]。所有可再生能源利用技术中，风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面的意义，，大力发展风电这已经成为世界上的共识[3]。图 1-1 所示为 2007 年—2017 年全机容量，截止 2017 年底，全球风电装机容量由 2007 年的 94 GW 增长到 539GW，仅新增装机容量 52GW。其中，新增海上风电装机容量 4.3GW，全球海上风电总装机容[4] [5]。

东南大学博士论文。图 1-2 为 2017 年风力发电装机容量新增前十位的国家[5]，此外，前十位的装机容量占全球量的 85%[5]，这一数据表明全球风电装机分布相对比较集中。在一些国家丹麦、尼加拉瓜、和西班牙等，通过风力发电产生的电力已超过国家电力需求的 20%[5]。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

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本文编号：2649687