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大型永磁直驱发电机磁固耦合特性研究

中国电机工程学报 2023年第8期43卷 3217-3226页

作者：张志弘韩勤锴徐学平颜益峰彭超褚福磊新疆金风科技股份有限公司新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市830026 清华大学机械工程系北京市海淀区100084 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院北京市海淀区100191

该文开展大型永磁直驱发电机磁固耦合特性研究。采用共形映射方法,计算考虑齿槽效应的气隙磁场标量磁势;基于离散电流元和磁等效电路模型,定量模拟发电机定转子局部的磁饱和效应,通过数值迭代得到气隙磁场强度分布;引入一系列均布的磁... 详细信息

该文开展大型永磁直驱发电机磁固耦合特性研究。采用共形映射方法,计算考虑齿槽效应的气隙磁场标量磁势;基于离散电流元和磁等效电路模型,定量模拟发电机定转子局部的磁饱和效应,通过数值迭代得到气隙磁场强度分布;引入一系列均布的磁等效弹簧,模拟定转子之间的耦合作用,建立永磁直驱发电机磁固耦合有限元分析模型。以实际在役兆瓦级永磁直驱发电机为对象,通过电磁有限元计算结果验证所提出的气隙磁场强度分析方法;基于金风兆瓦级永磁发电机测试平台,开展转/定子耦合系统模态测试,与理论模型得到的固有频率和模态振型进行对比。在此基础上,分析气隙长度和转子转速对耦合系统固有频率的影响。研究结果对于准确评估发电机振动能量、规避危险共振点指导机组设计等均具有重要的参考价值。

关键词：永磁直驱发电机磁固耦合模态分析共形映射磁等效弹簧

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电励磁直驱与永磁直驱发电机的研究

山东工业技术 2015年第16期 158-158页

作者：李钒都城绿色能源有限公司新疆分公司乌鲁木齐830000

随着社会经济的快速发展,能源问题得到了广泛的关注,风能属于再生能源,它具有清洁、无污染与高效等特点,因此,风力发电系统的发展具有较大的规模,风力发电实现了风能的有效利用。电励磁与永磁直驱发电机作为主要发电机,二者的结构较为简... 详细信息

随着社会经济的快速发展,能源问题得到了广泛的关注,风能属于再生能源,它具有清洁、无污染与高效等特点,因此,风力发电系统的发展具有较大的规模,风力发电实现了风能的有效利用。电励磁与永磁直驱发电机作为主要发电机,二者的结构较为简单,效果较高,同时其故障率偏低。本文主要研究了电励磁直驱与永磁直驱发电机,旨在促进风力发电技术的进一步发展,推动风力发电机型的不断创新与改革。

关键词：风力发电系统电励磁直驱发电机永磁直驱发电机

12MW永磁直驱风力发电机设计及并网控制研究

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12MW永磁直驱风力发电机设计及并网控制研究

作者：于文迪沈阳工程学院

学位级别：硕士

风力发电技术具有广阔的应用前景,目前海上风力发电是整个风电的发展方向,永磁风力发电机具有结构简单、维修周期长、可实现大功率发电等优点,在海上风力发电中占据重要地位。本文以研究设计一台12MW的大功率永磁直驱风力发电机为目的,... 详细信息

风力发电技术具有广阔的应用前景,目前海上风力发电是整个风电的发展方向,永磁风力发电机具有结构简单、维修周期长、可实现大功率发电等优点,在海上风力发电中占据重要地位。本文以研究设计一台12MW的大功率永磁直驱风力发电机为目的,从电机的电磁设计方案、永磁电机的效率和齿槽转矩的优化以及大功率永磁电机并网与控制策略这三个部分展开研究。本文首先初步确定了电机采用的永磁体、硅钢片材料、主要尺寸、气隙长度、定子结构等参数,并结合外转子的结构优点,对132/594、132/624、140/480及132/432四种不同极槽配合方案进行性能的对比,确定出132极432槽的电磁设计方案是最佳的极槽配合方案,得到初步的电磁设计方案,对其在RMxprt中建立模型进行性能分析,结果表明该初步设计方案基本满足设计要求,但在电机齿槽转矩和效率两个方面还存在待优化空间。其次,将田口法和响应面法相结合应用到电机的优化设计中。首先采用田口法进行分析,选择齿槽转矩和电机效率为优化目标,选择气隙长度、永磁体厚度、极弧系数、定子槽宽和定子内径作为优化因子,对其进行多目标优化,根据优化参数对电机性能所占比重确定了影响发电机效率和齿槽转矩的3个主要因素:极弧系数、永磁体的厚度和气隙长度。再采用响应面法得到响应面函数,得出最优的参数组合方案,并验证此方法在电机优化设计中的可行性。采用有限元分析软件Ansoft Maxwell基于场路耦合原理建立了12MW永磁直驱发电机模型,对优化后的电机进行建模仿真,分别针对其空载和额定负载下的运行特性以及永磁体在极端情况下抗去磁能力进行分析,通过仿真证明了本文经优化后方案的合理性。最后,介绍了机侧和网侧变流器的控制策略。机侧变流器采用了转速电流双闭环控制策略,目的是为了实现最大功率跟踪的控制目标,网侧变流器选用了传统的电压定向矢量控制方式,实现了母线电压恒定和对有功、无功的解耦。在Matlab/Simulink中搭建了优化后的永磁同步发电机并网控制模型进行仿真分析,结果表明该控制策略可以输出满足并网要求的稳定电压电流,有效的对永磁风力发电机进行并网。

关键词：永磁直驱发电机电机优化设计田口法有限元仿真并网控制

大功率外转子永磁直驱风力发电机的设计及优化

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大功率外转子永磁直驱风力发电机的设计及优化

作者：杜炜广东工业大学

学位级别：硕士

能源,是人类不可缺少的生活要素,也是国民经济发展的重要保障,能源安全与国家经济稳定息息相关。可再生的清洁能源风能已成为我国电力能源可持续发展的重要能源形式。风力发电机的发展趋势是无刷化和采用不带增速齿轮箱的直驱式低速风... 详细信息

能源,是人类不可缺少的生活要素,也是国民经济发展的重要保障,能源安全与国家经济稳定息息相关。可再生的清洁能源风能已成为我国电力能源可持续发展的重要能源形式。风力发电机的发展趋势是无刷化和采用不带增速齿轮箱的直驱式低速风力发电机,永磁直驱同步风力发电机是典型代表机型。外转子永磁直驱同步风力发电机的永磁体、外转子和原动机械耦合为一体,叶片直接安装在电机机座上,提高风能利用率。与内转子结构相比,外转子更容易实现多磁极安装,定子体积缩小,可实现高效低成本运行。针对外转子结构自身特点并根据大功率永磁同步风力发电机的设计要求,对电机定转子尺寸选择、永磁材料形状、电磁负荷、极槽配比、电枢绕组等的选用依据进行了研究分析;采用基于等效磁路法的RMxprt电机设计软件完成了2MW外转子永磁风力同步发电机的初始计算,对永磁体充磁方向长度和定子轴向长度进行参数化分析设计,确定了一个较优的设计方案。在电磁场有限元分析软件Maxwell2D中,建立2MW外转子永磁风力发电机的2D模型并对电机内的电磁场进行了详细分析,分别在静态磁场中求出各相绕组电感和在瞬态场中求出发电机空载和额定负载时的运行状态。利用场路结合法分析了不同极槽配比对永磁风力发电机磁场分布和输出特性的影响。最后,永磁同步发电机制造中,永磁材料的成本是发电机的主要支出,控制永磁体材料的消耗可有效控制发电机的制造成本。以定子槽形、永磁体形状为变量,采用遗传算法对2MW外转子永磁风力发电机的有效材料成本进行了优化设计,仿真结果显示永磁体耗量下降了5.8%,发电机有效材料的总制造成本下降了3.3%。

关键词：风力发电永磁直驱发电机有限元极槽配合遗传算法

基于RTDS的永磁风力发电机场站级低电压穿越仿真分析

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基于RTDS的永磁风力发电机场站级低电压穿越仿真分析

作者：马婷内蒙古大学

学位级别：硕士

本文以永磁直驱式风机组成的风电场为研究对象,使用实时数字仿真系统（RTDS）建立永磁直驱风电机组的电磁暂态模型,其中网测变流器采用电压外环电流内环,有功无功解耦的控制策略,使用双二阶广义积分器锁频环（DSOGIFLL）采集并网点电压... 详细信息

本文以永磁直驱式风机组成的风电场为研究对象,使用实时数字仿真系统（RTDS）建立永磁直驱风电机组的电磁暂态模型,其中网测变流器采用电压外环电流内环,有功无功解耦的控制策略,使用双二阶广义积分器锁频环（DSOGIFLL）采集并网点电压,通过正弦脉宽调制（SPWM）信号控制逆变电路;按照功率等效原则建立了用于电磁暂态分析的永磁直驱风电场等值模型,并使用小规模详细模型（含4台2 MW风机）进行了仿真分析与验证。根据研究需要将风电场分为远端和近端两个机群,通过两条集电线接入35k V母线,按照同一条馈线上同类型机组倍乘,集电线路聚合前后损耗不变的原则进行等值,建立大型风电场聚合模型。进而从不同的故障位置、故障类型、风速和远端集电线路长度展开了仿真分析,找出汇集线路长度与风机电压跌落、无功电流之间的关系,对风电场站级低电压穿越适应性进行了分析,提出即使公共并网点（PCC）的电压降至0.2p.u.,无论风电场的配置如何,无论使用何种无功补偿装置,风电机组特别是远端机群的端电压下降幅度都低于PCC点,其无功电流并没有发挥出最大出力。因而得出风电场的场站级低电压穿越能力被低估的结论,建议分析新能源高渗透率的电网时,需要对风电场的低穿能力进行更为详细的考量。

关键词：永磁直驱发电机场站级 RTDS 聚合模型低电压穿越

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基于FPGA的永磁直驱风电机组建模研究

基于FPGA的永磁直驱风电机组建模研究

作者：史一博华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着双碳目标的提出,新能源风力发电进入快速的发展建设阶段。对发电机进行仿真建模是研究风力发电的必要手段,然而目前硬件平台的永磁直驱风机模型不够完整,不方便硬件调试。此外现场可编辑逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,F... 详细信息

随着双碳目标的提出,新能源风力发电进入快速的发展建设阶段。对发电机进行仿真建模是研究风力发电的必要手段,然而目前硬件平台的永磁直驱风机模型不够完整,不方便硬件调试。此外现场可编辑逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)具有硬件并行化和高度流水线工作的特点,在电磁暂态仿真时优势很大。因此本文以FPGA为基础,研究了如何在FPGA平台下搭建永磁直驱风力发电机的精细化电磁暂态模型,论文的主要工作如下:(1)在FPGA环境下搭建了永磁直驱发电机的数学模型,FPGA的顶层设计下分别为电路系统和控制系统,二者成系统级并行。电路系统包括风力机、永磁同步发电机、换流器、LC电路、电网等模块,根据模块之间的相互串并行关系组成三级并行计算逻辑,分别用于计算子系统输入、计算诺顿等效参数、计算节点电压并更新电路。控制系统包括换流器机侧及网侧控制,与电路系统成解耦并行计算。(2)提出了一种基于虚拟阻抗补偿的永磁同步发电机恒导纳建模方法,该方法基于传统发电机模型,通过在转子上补偿虚拟阻抗的方式使发电机导纳矩阵恒定。补偿虚拟阻抗令发电机模型阶数上升,相当于添加了一个阻尼绕组。通过该方法消除发电机部分导纳矩阵的时变量,令完整模型的十四阶导纳矩阵恒定。避免了仿真计算时每个步长高阶矩阵求逆问题,只需要在仿真开始之前进行预处理,步长计算时直接调用即可,可以极大减少板卡资源占用量,减少步长仿真时间。(3)在(2)提出的恒导纳模型和(1)搭建的PMSG模型的基础上,以恒导纳发电机模型替换常规的PD模型,使完整永磁直驱发电机导纳矩阵恒定,避免了FPGA高阶矩阵求逆的困难,只需要在仿真开始前预处理即可,能节省大量的仿真资源。通过对单机接负载模型的仿真结果对照分析,证明了所提出的发电机虚拟阻抗补偿模型在保持导纳矩阵恒定的基础上还兼顾了较高的仿真精度。通过对完整永磁直驱发电机的仿真结果对照分析,验证了 FPGA平台下的完整永磁直驱发电机恒导纳模型的仿真精度,可用于PMSG电磁暂态仿真。

关键词：永磁直驱发电机电磁暂态仿真恒导纳模型 FPGA

基于永磁直驱同步风电机组的分频海上风电系统控制策略

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电力系统自动化 2014年第11期38卷 27-33页

作者：宋卓彦王锡凡陶伟龙孟永庆滕予非宁联辉西安交通大学电气工程学院陕西省西安市710049

海上风电经分频输电线路传输的研究近年来引起国内外的关注。由去除机端换流器的多台基于永磁直驱同步发电机(PMSG)的风电机组、海底电缆和交交变频器组成的分频海上风电系统,可通过线路末端的交交变频器控制PMSG的转速捕获风能,可节省... 详细信息

海上风电经分频输电线路传输的研究近年来引起国内外的关注。由去除机端换流器的多台基于永磁直驱同步发电机(PMSG)的风电机组、海底电缆和交交变频器组成的分频海上风电系统,可通过线路末端的交交变频器控制PMSG的转速捕获风能,可节省初始投资和运行维护费用。考虑变压器和输电线路的影响后,推导出分频海上风电系统的准稳态模型,基于转子平均磁链定向给出多机矢量控制器的设计原理;从曲线拟合的角度,给出多机组运行频率的求解方法;以4台PMSG为例,搭建了分频海上风电系统仿真模型。结果表明采用多机矢量控制方法,在不同风速条件下,风电机组的转速均能够跟随指令值,并实现风能的最优捕获。

关键词：风力发电分频输电系统永磁直驱发电机矢量控制

永磁直驱风电系统中最大功率点跟踪控制优化的仿真研究

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电机与控制应用 2017年第11期44卷 118-123页

作者：臧晨静张惠娟李玲玲孙浩赵轩河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津300130 河北工业大学电气工程学院天津300130

分析了风力机特性、永磁直驱电机模型、变换器控制策略及各种功率跟踪控制算法优缺点,并提出一种基于爬山搜索法的最大功率点跟踪(MPPT)控制方法的优化。在MATLAB/Simulink环境下搭建了永磁直驱风力发电系统模型,仿真分析了控制方法对... 详细信息

分析了风力机特性、永磁直驱电机模型、变换器控制策略及各种功率跟踪控制算法优缺点,并提出一种基于爬山搜索法的最大功率点跟踪(MPPT)控制方法的优化。在MATLAB/Simulink环境下搭建了永磁直驱风力发电系统模型,仿真分析了控制方法对最大功率点的跟踪效果,结果表明当风机起动及风速变化时MPPT控制方法能够使系统快速稳定在新的工作点,捕获得最大功率。由此验证了改进优化后的控制方法及所搭建模型的准确性与有效性。

关键词：风电系统永磁直驱发电机最大功率点跟踪控制最大功率点跟踪优化

基于DIgSILENT的永磁直驱风机低电压穿越仿真及双耗能电阻设计

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电力科学与技术学报 2018年第3期33卷 29-36页

作者：蒋云松冯剑郑权国童剑雄李华飞肖金红中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司湖南长沙410007 国网常德供电公司湖南常德415000 湘电风能有限公司湖南湘潭411102

大型风电场中风电机组须具有一定的低压穿越能力(LVRT),以防止故障期间风机大面积脱网。为提高机组LVRT能力,提出一种含双耗能电阻的DC-Chopper控制策略。该策略以在低电压穿越期间抑制直流侧电压波动为控制目标,考虑监测电网电压跌落... 详细信息

大型风电场中风电机组须具有一定的低压穿越能力(LVRT),以防止故障期间风机大面积脱网。为提高机组LVRT能力,提出一种含双耗能电阻的DC-Chopper控制策略。该策略以在低电压穿越期间抑制直流侧电压波动为控制目标,考虑监测电网电压跌落深度差异选择不同的耗能电阻,提出一种便捷的耗能电阻计算方法。在DIgSILENT/PowerFactory上搭建永磁直驱风力发电系统,仿真结果表明,阻值选择对低电压穿越能力有较大影响;该文所提阻值计算方法高效、简便,并且限制了直流侧电压,使有功功率变化不明显,网侧无功功率较稳定,故障切除后可快速恢复到正常运行水平。

关键词：永磁直驱发电机 DC-Chopper 低电压穿越能力 DIgSILENT/PowerFactory