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。

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。

半直驱永磁风力发电机温度场仿真

本文以3 MW半直驱永磁风力发电机为例进行温度场计算分析,利用有限元分析方法分别对3 MW半直驱永磁风力发电机额定工况及试验工况的温度场进行计算。计算结果与试验实测结果一致,永磁发电机温升满足考核要求。同时计算分析了冷却水流量及冷却管排布位置对温升的影响,并提出后续改进建议。

一种抑制半直驱永磁风力发电机短路转矩的方法

针对现阶段半直驱永磁风力发电机短路转矩难以抑制的问题,分析了发电机短路转矩的产生机理,并提出抑制短路转矩的关键方法。通过调整转子磁极盒拓扑结构、交直轴磁路结构与漏磁路结构,在满足电机力能指标,且有效材料用量无变化的条件下实现削弱短路转矩的目标。

3 MW半直驱永磁风力发电机电磁设计与仿真

研究了半直驱永磁风力发电机的主要设计参数选取过程和原则,探讨了转子磁极固定方式及优化方向;以3 MW发电机为例开展电磁方案设计,并对方案进行了空载、负载、短路仿真分析。结果表明,采用斜槽一倍齿距设计可以显著抑制发电机空载下的齿槽转矩,峰值减小幅度达89%;负载计算结果显示发电机电磁方案完全符合设计目标要求;短路失磁校验也验证了所选永磁体在三相、两项短路工况下的磁性能稳定性。设计过程和方法为后续产品开发提供了一些经验借鉴。

3.6 MW半直驱永磁风力发电机的研制

概述了半直驱永磁风力发电机的技术优势和基本特点,介绍了3.6MW半直驱永磁风力发电机的主要技术参数和具体结构,详细分析了发电机各部件的结构特点、工艺及工装方案,提出了研制中遇到的问题及相应的解决措施,最终的电机试验证明了电机设计和工艺的有效性及合理性,为后续的系列开发及批量制造打下了良好的基础.

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。

永磁直驱风力发电机非奇异终端滑模控制

为提高永磁直驱风力发电系统的抗扰能力和控制精度,提出了一种扰动观测器与非奇异快速终端滑模控制相结合的最大功率跟踪控制策略。利用扰动观测器得到风力发电机的转矩变化,对控制器进行前馈补偿;采用非奇异快速终端滑模面提高控制器的动态性能,实现系统快速收敛,减少因扰动引起的抖振。仿真结果表明,所提策略在随机风速的情况下可以准确估计转矩变化,提高最大功率跟踪过程中的转速跟踪精度和风能利用率。

5 MW内外转子组合式直驱永磁风力发电机仿真设计

文章通过等效磁路法设计了额定功率5 MW的直驱永磁风力发电机,对比研究了120极/378槽和78极/324槽两种设计方案的超大功率直驱永磁风力发电机性能,从电机结构上解决了超大功率发电机体积过大,不利于运输等缺点,并在此基础上,仿真验证了文章所设计的内外转子组合式5 MW直驱永磁风力发电机是可行的和有效的。

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。

半直驱中速永磁风力发电机设计与特性研究

随着风力发电的健康蓬勃发展,结合了高速异步风力发电机和低速永磁直驱发电机特点的中速永磁半直驱风力发电机的优势也越来越明显。本文以5.5 MW级的中速永磁半直驱风力发电机为研究对象,介绍了半直驱驱动链及中速永磁风力发电机的基本结构,建立了该发电机的有限元计算模型,分析了“V”形永磁体转子结构的永磁发电机的空载特性与负载特性,计算了该结构下磁阻转矩与永磁转矩在电磁转矩中的占比等参数。基于研究与分析,总结了“V”形永磁体转子结构的半直驱永磁风力发电机的特点,为后续半直驱永磁风力发电机进一步的研究奠定了理论基础与参考依据。

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。

永磁直驱风力发电机组弯头形机舱优化分析

[目的]针对某型永磁直驱风力发电机组机舱几何外形不规则,受载荷复杂、重量较大的情况,需对其进行优化分析与设计。[方法]基于有限元方法,建立了机舱的有限元模型,分析了弯头形机舱的几何结构和主要形状影响参数,并基于分析结果对参数进行优化调整与复核计算。[结果]优化后的机舱最大von Mises应力由181 MPa减小到173 MPa,应力降低了4.4%,满足强度要求,重量由52.7 t减小到45.2 t,重量减少了约14.2%。[结论]研究表明,优化效果明显,为风电机组此类机舱设计与优化方法提供了借鉴和参考。

大型半直驱式永磁风力发电机的电磁设计

以3.2 MW半直驱式永磁风力发电机为例,分析了发电机极数、极槽配合选取、转子磁极结构、气隙值选取等对发电机性能的影响。建立了发电机的电磁场有限元计算模型,对发电机的输出性能进行了仿真分析计算。计算结果表明发电机达到了较高的技术指标要求。这为大型半直驱式永磁风力发电机的优化设计提供了一些有意义的参考。

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。

不同转子结构的永磁半直驱同步风力发电机电磁场的计算与分析

以1.5MW永磁半直驱式同步风力发电机为研究对象,设计了定子252槽、转子32极、永磁体在转子嵌放位置不同的发电机方案,建立电磁场二维有限元计算模型。分别给出两台风力发电机空载和负载两种工况下的磁场波形,并给出两台电机各取一个单元电机内的负载径向气隙磁密谐波分解图,同时计算了负载时绕组磁动势的谐波含量。此外,对相同类型结构的小型永磁同步风力发电机的实测数据与理论计算结果进行比较,为设计大容量永磁半直驱风力发电机提供了一些有意义的参考。

基于神经网络的半直驱永磁同步风力发电机组有功功率控制

针对半直驱风力发电机组,提出了一种基于神经网络的有功功率控制方法,分别对变桨控制器和转速控制器进行设计,实现机组在额定功率控制模式和非额定功率的恒功率控制模式的有功功率控制。着重研究了转速控制算法,采用线性反馈化方法对系统模型进行处理,然后根据动态面控制算法设计转速控制器,并利用RBF神经网络逼近特性避免由于对具有非线性特性风力发电机组线性化而导致的模型不确定性问题。最后基于MATLAB/Simulink平台,将该功率控制方法应用于2 MW半直驱永磁同步风力发电机组,验证了所提方法的有效性。

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。

面向海上风电仿真的永磁同步发电机电磁暂态等效建模方法

海上风电的建模与仿真是构建新能源为主体的新型电力系统的关键支撑技术。永磁同步发电机(PMSG)作为直驱或半直驱机型的核心元件,现有模型存在一定的局限性:商业软件提供的灰箱模型无法得知建模原理,开放程度不够,限制了风电机组应用高效电磁暂态建模算法与并行加速算法;目前常用的PMSG建模方法无法生成接口与外电路连接;PMSG是同步发电机的一种,而同步发电机有不同阶数的数学模型,现有模型不便更改。针对上述问题,该文提出阶数可选的PMSG电磁暂态等效建模方法。首先对发电机电压、磁链方程进行离散化;然后通过单步长延时消除代数环,重构PMSG模型,推导得到其诺顿等效电路并构建模型整体仿真框架;最后,在RTDS仿真平台中进行仿真分析。结果表明四阶、二阶模型在场站级仿真具有适用性,而六阶模型实现了对基准模型的多工况高度拟合,平均相对误差小于4%,能够同时满足场站级与机组内部各仿真需求。