基于定子全浸式及绕组内冷式的蒸发冷却永磁直驱风力发电机优化设计研究

为了充分发挥蒸发冷却技术在风力发电领域中高效的散热性能以及免维护的自循环特性,本文基于发电机定子全浸泡以及绕组空心导线内冷的两种散热形式,对一系列不同功率等级下的直驱式永磁风力发电机进行了优化设计研究,并对不同冷却技术路线下的电机优化设计方案进行了对比和分析。本文首先分析了不同技术路线下不同蒸发冷却系统各自所具有的特点及优势;之后基于电磁场和传热学理论建立了发电机电磁参数及温度场的分析计算模型,并基于冷却系统的结构布局分析了不同技术路线下发电机定子的传热特性;最后基于发电机电磁场和温度场的耦合分析建立了风力发电机的优化设计模型,通过多目标遗传优化算法,对2MW、5MW和10MW三种不同功率等级下的直驱式永磁风力发电机进行了以材料和成本为目标的电机系统优化设计。优化结果及对比分析表明,针对兆瓦级直驱式风力发电机而言,采用空心导线内冷式技术更具有设计成本和冷却性能上的优势,本文中的优化方法和策略可以为蒸发冷却永磁直驱式风力发电机的优化设计提供理论依据和设计基础。

海上半直驱永磁风力发电机电磁设计与温度场分析

以海上16 MW半直驱永磁风力发电机作为研究对象,基于有限元分析方法针对不等气隙条件下电磁特性、冷却结构设计及温度场仿真展开研究,结果表明优化后的电机能够合理地降低电机损耗,提高电磁性能,水套冷却和空水冷却相结合的冷却方式散热效果良好。通过型式试验,验证了电机设计的合理性。该电机的设计对海上永磁风力发电机大型化的发展发挥了重要作用。

半直驱中速永磁同步发电机轴承发生微电流腐蚀的故障诊断分析

轴承滚道形貌出现“搓衣板”纹路的故障模式是风电机组常见的主要故障之一。针对半直驱中速永磁同步发电机轴承发生微电流腐蚀故障,首先通过在线监测系统采集发电机轴承运行时的振动信号,然后对振动信号故障特征进行提取与诊断分析,研究和复现轴承滚道微电流腐蚀的失效模式和故障发展历程,最后同步验证抑制轴电流的措施的有效性,以此保障风电机组健康可靠地运行。分析表明:该故障风电机组的发电机轴承滚道出现的“搓衣板”纹路并非轴承的主要失效模式,而是轴承滚道发生二次损伤的表现。随着时间推移,轴承滚道出现的损伤(浅坑)纹路逐渐重复叠加并变得更加清晰,说明该发电机的主要失效模式为轴承微电流腐蚀。

大型永磁直驱发电机磁固耦合特性研究

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。

基于保角变换与等效磁路法的永磁直驱发电机气隙磁场计算

该文开展了负载工况下永磁直驱发电机气隙磁场研究。基于精确域求解和保角变换,计算考虑齿槽效应的气隙磁场标量磁势;采用离散线电流元,定量模拟发电机定转子局部出现的磁饱和现象;基于考虑几何尺寸的定转子非线性磁阻计算方法,建立包含发电机定转子结构以及气隙长度的等效磁路,给出相应的迭代求解流程。以实际在役兆瓦级永磁直驱风力发电机为对象,计算考虑齿槽效应的气隙磁场分布,分析了空载和负载工况下磁饱和效应对气隙磁场分布曲线波形和谐波成分的影响,并与有限元计算结果对比,验证了所提出的分析模型和求解方法的有效性。

基于磁链预测的永磁直驱风力发电机SVM-DTC技术

永磁直驱风力发电机传统直接转矩控制(DTC)通过查表法选择固定电压矢量来控制定子磁链和电磁转矩,导致磁链和转矩的双重控制要求不能同时兼顾,造成磁链和转矩脉动过大。针对传统DTC的不足,研究了一种永磁直驱风力发电机基于定子磁链预测的空间矢量脉宽调制(SVPWM)DTC方法,通过对下一个控制周期磁链矢量的预测计算需要补偿的电压矢量,并引入SVPWM模块代替查表法来合成该电压矢量。仿真和实验结果表明,此方案能明显降低磁链和转矩脉动,改善永磁直驱风力发电系统的控制性能。

直驱永磁同步平流水发电机控制系统设计及试验研究

为适应乡村小水电的绿色环保发展,在研究网侧及机侧控制算法模型的基础上,设计一种基于永磁同步电机的水力发电机控制系统,能够适应平流水发电水流变化、转速不稳定等外部环境的变化,提高发电机组的效率。通过设计一套37 kW的实验用发电机组及控制系统,在现场对相关功能进行了实验测试,验证了控制系统能够实现发电机宽转速、高效率的并网发电,满足平流水发电的现场实际控制要求。

风力发电中的直驱永磁同步发电技术应用研究

本文专注于风力发电中的直驱永磁同步发电机技术,探讨了其在提升发电效率和增强系统可靠性方面的显著潜力。通过在多种风速环境下对此技术进行广泛的测试和深入评估,研究揭示了其在降低运行和维护成本方面的优势。直驱永磁同步发电机技术不仅改善了能量转换效率,还通过减少机械部件,显著提高了整个系统的运行效率和可靠性。此外,本文还深入分析了该技术的核心特点和实际应用成效,认为它为风电技术的未来发展提供了一条高效且具备广泛应用前景的技术路径,有望推动风力发电技术的持续优化和环境可持续性。

基于ANSYS的直驱永磁发电机电磁场仿真

应用有限元软件ANSYS对永磁直驱风力发电机静态电磁场进行了仿真。首先用常规方法对永磁直驱风力发电机空载电磁场进行了计算;其次提出了永磁直驱风力发电机电磁场有限元分析方法,应用有限元软件ANSYS对发电机的静态电磁场进行了仿真计算;最后将利用ANSYS软件仿真结果和实际情况进行比较。从结果看出,采用有限元方法仿真的结果和同实际情况基本相符,此仿真的结果对以后风力发电机的研究具有一定的参考价值。

一种半直驱永磁风力发电机的设计研究

提出了一种发电机转子极靴优化与分数槽绕组结合的设计方法。对一台5.43MW的半直驱永磁风力发电机进行了设计,并将其有限元仿真分析结果与试验测试结果进行了对比。结果表明,该设计方式可有效改善气隙磁密波形,降低定子绕组空载反电动势谐波畸变率,并可显著抑制发电机的齿槽转矩,保证发电机性能。

电网频率变化下直驱永磁风力发电机组暂态特性分析

为研究直驱永磁同步风力发电机(DPMSG)在电网频率发生变化情况下的暂态特性,建立了电网中风力发电系统数学模型,网侧和机侧变换器分别采用基于电网电压定向和电流前馈补偿的定子磁链定向矢量控制。根据建立的模型仿真分析电网频率下降情况下风机的输出特性进行仿真分析,仿真结果与实测数据对比验证了模型的正确性。利用该模型对电网频率升高时直驱永磁发电机功率、直流电压、转速进行了进一步研究分析,研究结果为分析风电场在电网频率变化期间直驱永磁风力发电系统实际运行、出力变化情况提供了有效依据。

直驱永磁风力发电机绕组短路保护研究

随着风电机组单机容量越来越大,对其配置有效的保护具有重要的意义。笔者以1.5 MW直驱永磁风力发电机绕组为研究对象,重点研究了其匝间及单相接地短路故障,并基于ANSOFT MAXWELL暂态仿真得到故障前后绕组电流的波形,分析其特征。对不同匝数的绕组短路故障进行了仿真,对比分析得出故障前后电流变化趋势,为永磁发电机绕组短路故障设计有效的保护方案,提出了夯实依据。

基于变桨距和转矩动态控制的直驱永磁同步风力发电机功率平滑控制

风能的不确定性以及风轮机自身特性使风力发电机输出有功功率随风速变化而波动,影响风电机组输出电能质量,严重时还会影响电网运行稳定性。在分析变桨变速直驱永磁同步风力发电机运行特性的基础上,提出了在全风速范围内结合风力机变桨控制和发电机变速控制的发电机有功功率平滑控制策略。考虑到风能的随机性及直驱风能发电系统很强的非线性,设计了基于模糊理论的变桨距控制器和发电机转矩动态滑模控制器。对一台采用该控制策略的直驱永磁同步风力发电机的运行行为进行仿真研究。结果表明,提出的模糊变桨距控制能有效控制发电机转速运行范围,动态滑模控制能使发电机输出平滑的有功功率。与传统最大风能跟踪控制策略相比,所提出的控制方案能有效降低直驱永磁同步风力发电机输出有功功率的波动,控制发电机转速运行范围。

直驱式永磁同步风力发电机双模功率控制策略的仿真研究

在分析变桨距执行机构动作滞后及变桨速度限制带来的功率波动问题基础上,针对直驱式永磁同步风力发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)系统,提出全风况下结合变桨距控制的双模功率控制策略。低于额定风速时,采用基于转速反馈的最大风能跟踪控制;高于额定风速时,根据发电机额定功率和即时转速设定参考电磁转矩,将发电机输出有功功率限定在额定值附近;并给出了双模控制系统中2种控制模式之间平滑切换(smooths witching)的具体规则。对双模功率控制策略下的一台2MW直驱式PMSG系统进行仿真研究,验证了该控制策略的正确性和有效性。相对于采用传统控制策略的直驱式PMSG系统,该控制策略能够在额定风速以上获得更为平稳的有功功率输出。

基于变流器控制策略的直驱永磁风力发电机优化设计

直驱永磁风力发电机通过一个背靠背全功率变流器与电网相连,因此传统基于电网电压的直接并网同步发电机设计与分析模型不再适用于直驱永磁风力发电机。本文提出了一种新的直驱永磁风力发电机的设计分析模型,该模型综合考虑了变流器电流矢量控制策略对发电机特性和性能的影响,能更准确地反映直驱永磁风力发电机的实际运行状况。基于该模型,运用遗传算法对1.5MW、3MW、5MW、7MW和10MW五种功率等级的永磁直驱风力发电机进行了以材料成本最低为目标的优化设计,设计结果表明电机的重量和成本都得到了下降。最后运用有限元方法,对10MW永磁直驱风力发电机进行了空载、负载的性能仿真分析,仿真结果验证了本文提出的设计模型和优化设计方法的正确性。

变结构控制策略在直驱永磁同步风力发电机中的应用

根据直驱永磁同步风力发电机的结构特点,采用双脉宽调制变流器作为其并网主电路。考虑到永磁同步发电机的数学模型在dq坐标系下是一个非线性耦合系统,不利于控制器的设计。提出了采用逆系统方法将原系统进行线性化解耦,构造出其伪线性系统模型,再运用变结构控制理论设计伪线性系统的闭环控制器。建立了基于此控制策略的仿真模型并与PI控制进行比较。仿真结果表明,该控制策略可实现发电机输出有功功率的准确控制、并网有功功率和无功功率独立调节以及变速恒频运行。变结构控制与PI控制相比,动态响应速度快、鲁棒性好。

直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略

以永磁体励磁多极直驱式同步风力发电机组(directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generators,D-PMSG)为对象,建立了包括风力机模型、传动系统模型和发电机模型的D-PMSG数学模型,提出了风力机桨距角和发电机转速的控制策略:桨距角的控制策略中以风速和发电机功率为输入信号,采用比例–积分控制很好地反映了不同风速对桨距角控制的不同要求;发电机转速控制策略中采用dq同步旋转坐标下的矢量控制方法,用d轴电流控制无功功率,用q轴电流控制转速,既实现了机组的解耦控制,又充分利用了发电机容量。运用Matlab/Simulink建立了D-PMSG仿真模型,对风速阶跃变化时机组运行情况进行了仿真,结果验证了该模型的合理性及控制策略的正确性和可行性。

直驱永磁同步风力发电机无位置传感器控制

为了在无位置传感器的情况下,实现对直驱式永磁同步风力发电机的矢量控制,研究用简化卡尔曼滤波器进行电机转子位置和转速估计的方法。选取转子位置和转速作为状态变量,两相定子电流作为输入,建立了基于简化卡尔曼滤波器的永磁同步发电机状态估计离散模型,采用转子磁场定向的控制策略,实现了无位置传感器矢量控制。仿真结果表明:这种方法能够准确估计出电机的转子位置和转速信息,动静态性能良好,并基于此实现了最大功率追踪控制。

电网故障下直驱永磁风力发电机组机侧变流器改进控制策略

文章对电网电压跌落时的直驱永磁同步风力发电机组的低电压穿越过程进行深入研究,在电网电压跌落时,通过分析发电机机侧变流器最大风能跟踪控制策略,提出一种补偿q轴电流参考值抑制直流母线电压的新方法,并加入弱磁控制,使发电机输出功率迅速有效降低,进而维持机侧与网侧变流器的功率平衡及母线电压稳定。电网持续故障且超出规定时间时,为风电机组增加了卸荷电路,保证机组安全退出运行。分析结果验证了所提方案的正确性和有效性。

大型直驱永磁风力发电机及其并网运行研究

为了研究大型直驱式永磁风力发电机控制及其并网后在电力系统中的运行,建立了风速模型、发电机模型,对直驱式永磁风力发电机的工作原理进行了研究,对风力发电机接入电网运行进行了分析,并对最大功率跟踪和桨距角控制进行了研究。采用理论分析与计算机仿真方法,给出了仿真结果。结果表明,直驱永磁风力发电机在低于额定风速时可以跟踪最大功率,高于额定风速时可以保持额定功率;直驱式永磁风力机对故障电流无贡献,对电网谐波影响很小,几乎不存在闪变问题,对电网频率稳定性无贡献。