基于MIT的模块化永磁直流风机设计与仿真研究

发布时间：2020-10-27 18:39

　　 海上风能强劲且稳定、可减少土地资源占用且噪声影响小,全球风电场建设已出现从陆地向海上发展的趋势。建设采用直流汇集-直流传输电能的海上全直流风场对于解决沿海地区的电力供应问题具有重要意义。由于至今尚未突破许多技术壁垒,目前世界上仍未建成海上全直流风场。针对海上全直流风场的传统风机串联升压拓扑可能存在的电机绕组额外绝缘问题,以及在风速不均衡和故障情况下复杂的功率分配和电压控制问题,本文提出将永磁同步发电机本体模块化、机侧AC/DC变换器模块化和网侧DC/DC变换器模块化,实现整个永磁直流风机拓扑模块化的设计思路。进一步提出了一种基于磁集成变压器(MIT)的模块化永磁直流风机拓扑。通过分数槽集中绕组直驱永磁同步发电机(FSCW DDPMSG)和MIT的结合,直接在机端产生高压直流,增强故障容错能力。本文给出一整套考虑多重因素时FSCW DDPMSG的设计准则,采用MATLAB软件编写程序,设计了具有8套三相绕组、容量为5 MW永磁发电机的算例,并基于MAXWELL软件进行有限元仿真分析。设计了发电机侧AC/DC和网侧MIT隔离式DC/DC变换器的拓扑结构,分析其工作原理,采用机侧AC/DC变换器实现电机绕组电流功率因数校正(PFC)的控制策略,以及网侧MIT隔离式DC/DC变换器实现机内低压直流母线电压稳定的控制策略。基于PLECS软件仿真结果表明,本文所设计的基于MIT的模块化永磁直流风机在启动、变速、故障和停运情况下能够实现工作状态的平稳过渡,以及最大功率跟踪(MPPT),验证了本文所提出拓扑和控制方式的合理性和可行性。这为未来海上全直流风场的研究提供了技术参考。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM315
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题研究的背景和意义
    1.2 海上风场的汇集方式和传输方式
        1.2.1 交流汇集-交流传输的海上风场
        1.2.2 交流汇集-直流传输的海上风场
        1.2.3 直流汇集-直流传输的海上风场
    1.3 海上全直流风场的组网方式
        1.3.1 不含升压站的组网方式
        1.3.2 含升压站的组网方式
    1.4 海上风电机组发展历程和现状
        1.4.1 国外发展历程和现状
        1.4.2 国内发展历程和现状
    1.5 论文的主要内容与章节安排
第二章 海上直驱永磁直流风机基本原理
    2.1 海上直驱永磁直流风机典型拓扑数学模型
        2.1.1 风力机数学模型
        2.1.2 传动轴数学模型
        2.1.3 永磁同步发电机数学模型
        2.1.4 机侧AC/DC变换器数学模型
        2.1.5 网侧DC/DC变换器数学模型
    2.2 海上直驱永磁直流风机典型拓扑控制原理
        2.2.1 风力机MPPT控制原理
        2.2.2 机侧AC/DC变换器控制原理
        2.2.3 网侧DC/DC变换器控制原理
    2.3 现有海上直驱永磁直流风机拓扑
    2.4 基于MIT的模块化永磁直流风机拓扑
    2.5 本章小结
第三章 FSCW DDPMSG设计
    3.1 FSCW DDPMSG特点
    3.2 FSCW DDPMSG设计原则
        3.2.1 主要尺寸选择原则
        3.2.2 气隙磁场方向选择原则
        3.2.3 气隙长度选择原则
        3.2.4 转子结构选择原则
        3.2.5 永磁体厚度与极弧系数选择原则
        3.2.6 定子齿槽形状选择原则
        3.2.7 极槽数配合原则
        3.2.8 考虑电力电子变换器控制策略的设计原则
    3.3 FSCW DDPMSG设计流程
    3.4 基于MATLAB软件的FSCW DDPMSG设计算例
    3.5 基于MAXWELL软件的FSCW DDPMSG有限元仿真分析
    3.6 FSCW DDPMSG等效数学模型
    3.7 本章小结
第四章 电力电子变换器设计
    4.1 发电机侧AC/DC变换器设计
        4.1.1 发电机侧AC/DC变换器拓扑结构
        4.1.2 发电机侧AC/DC变换器工作原理
        4.1.3 发电机侧AC/DC变换器控制方式
    4.2 网侧MIT隔离式DC/DC变换器设计
        4.2.1 网侧MIT隔离式DC/DC变换器拓扑结构
        4.2.2 网侧MIT隔离式DC/DC变换器工作原理
        4.2.3 网侧MIT隔离式DC/DC变换器控制方式
    4.3 本章小结
第五章 基于MIT的模块化永磁直流风机仿真研究
    5.1 基于PLECS软件的直流风机系统建模
        5.1.1 风力机建模
        5.1.2 传动轴建模
        5.1.3 FSCW DDPMSG建模
        5.1.4 电力电子变换器建模
        5.1.5 控制系统建模
    5.2 启动与变风速运行仿真研究
    5.3 故障运行仿真研究
        5.3.1 发电机侧AC/DC变换器与机内LVDC母线开路故障
        5.3.2 网侧MIT隔离式DC/DC变换器与机内LVDC母线开路故障
    5.4 停机过程仿真研究
    5.5 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 主要研究工作与创新点
    6.2 后续研究工作
参考文献
附录
致谢
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及专利成果

【参考文献】

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本文编号：2858901