十二相磁通切换永磁风力发电机设计与分析

发布时间：2020-05-21 03:16

【摘要】：多相磁通切换永磁电机(Flux-Switching Permanent Magnet Machine,简称FSPM电机)结合了多相绕组电机与磁通切换电机的双重优势,在需要大功率、高可靠性和强容错的风力发电场合具有广阔的应用前景。基于课题组前期对新型定子永磁电机和风力发电技术的多年研究积累,论文提出了一种十二相FSPM发电机,在结构上保留了普通三相FSPM电机鲁棒性好、冷却方便和便于模块化加工等优势,在性能上实现了大功率输出、强容错运行、低转矩脉动和强过载能力,是MW级风力发电机的发展方向之一。本文以风力发电为背景,针对十二相FSPM发电机本体设计与分析方面的问题进行深入研究。探讨多相绕组结构和电机拓扑设计对发电机性能的影响,总结出多相绕组结构的通用设计原则。在此基础上,研究了多相FSPM发电机的设计方案、电磁性能、数学模型和运行特性等,为高性能风力发电系统的研发奠定基础。论文主要研究成果包括以下几个方面:1.对多相绕组的通用设计原则进行了分析和归纳,推导了相邻两套对称绕组之间的相位差与电机电磁转矩和直流母线电压之间的数学关系,提出了以抑制转矩脉动和直流电压纹波为目标的相位差优化设计方法,并建立了转矩脉动和直流电压纹波随相数变化的解析关系。最后,通过对几组不同类型多相绕组结构的FSPM电机有限元分析和原理样机试验,验证了上述理论推导的正确性。2.对发电机与电动机在设计原则与方法方面的重要区别之处进行了分析和总结,给出了风力发电机的设计指标,包括:输出功率、定位力矩和电压调整率等,并强调发电机带电路联合仿真设计方法的必要性,为建立多相FSPM发电机的设计理论奠定重要基础,同时为多相FSPM风力发电机的具体设计方法提供指导。3.通过建立转矩脉动和直流电压纹波随相数变化的解析关系,确定了本课题所研究的多相FSPM发电机电枢绕组相数。然后,结合直驱式风力发电系统的应用特点和设计要求,选定四种定/转子极数配合作为候选,分析了电机尺寸参数对发电机特性的影响。最后,通过对四种齿槽配合的十二相FSPM发电机静态特性对比,确定了最终的十二相FSPM发电机拓扑。4.基于Maxwell建立了完整的十二相发电机带电阻负载运行联合仿真系统,通过改变负载电阻值和转速即可改变发电机的运行状态。通过仿真研究,预测发电机输出特性随负载电流或转速变化的特性曲线,获得发电机的定位力矩、输出功率、电磁转矩、电压调整率、效率和过载能力,验证了电机设计方案满足额定设计规格。5.基于十二相FSPM电机的电感仿真波形,建立十二相电感矩阵的理想化模型,进而通过将十二相对称绕组按照四个对称三相绕组子集独立进行坐标变换再综合分析,建立了十二相FSPM发电机的数学模型,给出了发电机在旋转坐标系下的电压方程、磁链方程、转矩方程和输出功率方程,为发电机性能的预测分析和电机控制策略设计提供了理论基础。6.对十二相FSPM发电机和十二相普通永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)的静态特性和发电运行特性进行了仿真比较研究,采用发电机简化相量图分析了二者输出特性产生差异的原因,并通过分别比较二者在电动模式和发电模式下的电磁转矩,证实了电枢绕组电感对电压调整率及发电机输出特性的影响。7.加工研制了一台十二相FSPM发电机实验样机,搭建了直驱型风力发电系统平台,测试了发电机的空载运行特性、额定带载输出特性、变速和变载发电运行特性,以及不同绕组结构下的空载整流特性和带载特性等,具体包括输出功率、机械转矩、效率、电压调整率、过载能力和温升等参数,实验结果满足设计要求,验证了电机设计方法的正确性和电机数学模型的准确性。
【图文】：

电励磁,环形,同步发电机,德国

ENERCON 生产的 4MW 环形电励磁同图 1-6 GE 生产的 6MW 永磁同步发电机[具有最高的性价比，特别适于变速恒频，增加了维护成本。因此，无刷双馈风图 1-7 所示。定子侧有两套极对数不同

永磁同步发电机

图 1-6 GE 生产的 6MW 永磁同步发电机[13]. 新型风力发电机无刷双馈发电机管双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适于变速恒频风力发电，但其电刷和大地降低了系统可靠性，增加了维护成本。因此，无刷双馈风力发电机引起了学术界泛关注，其系统结构如图 1-7 所示。定子侧有两套极对数不同的独立绕组，分别为功绕组。功率绕组直接与电网相连，控制绕组通过功率变换器接入电网，两套定子绕组上完全解耦，两套绕组产生的空间磁场通过转子实现耦合，与转子电流产生的磁场相电磁转矩。通过调节控制绕组的电流频率，即可实现定子绕组输出电流频率恒为 50H行闭合的环路结构，取消了滑环和电刷。转子磁场需要进行极数转换才能与定子磁场转子结构应该具备“极数转换器”的功能，即必须满足同时耦合定子功率绕组和控制目前无刷双馈电机的转子常采用同心式笼型、磁阻式和绕线式三种结构。在三种转子同心式笼型转子易于加工，相对成本较低，电机的起动和异步运行性能良好；磁阻式较强，电机效率较高，同步和双馈调速特性良好[23]。但这两种转子结构的双馈异步电谐波含量较大，导致铁芯磁路易饱和，，限制电机出力[24]。绕线式转子结构的优点是制电机类似，且由于其接线灵活、方便，能够有效地降低谐波含量，更适用于大尺寸电结构在电机运行时存在转子铜耗，与磁阻式转子结构相比，电机效率偏低[25]。
【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

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