采用改进遗传算法优化LS-SVM逆系统的外转子无铁心无轴承永磁同步发电机解耦控制

为了实现外转子无铁心无轴承永磁同步发电机(outer rotor coreless bearingless permanent magnet synchronous generator,ORC-BPMSG)的精确控制,提出一种基于改进遗传算法(improved genetic algorithm,IGA)优化最小二乘支持向量机(least square support vector machine,LS-SVM)逆系统的解耦控制策略。首先,基于ORC-BPMSG的结构及工作原理,推导其数学模型,并分析其可逆性。其次,建立LS-SVM回归方程,并采用IGA优化LS-SVM的性能参数,从而训练得到逆系统。然后,将逆系统与原系统串接,形成伪线性系统,实现了ORC-BPMSG的线性化和解耦。最后,将提出的控制方法与传统LS-SVM逆系统控制方法进行对比仿真和实验。仿真和实验结果表明:所提出的控制策略可以较好地实现ORC-BPMSG输出电压和悬浮力、以及悬浮力之间的解耦控制。

变速变负载无轴承永磁同步发电机悬浮力及发电性能研究

针对普通发电机轴承磨损严重的问题,提出一种无轴承永磁同步发电机。首先分析了无轴承永磁同步发电机的悬浮原理和发电原理;其次,推导了感应电压表达式,利用麦克斯韦张量法建立悬浮力和电磁转矩的数学模型并验证其正确性;再次,运用参数化分析法设计并优化了发电机结构,仿真结果验证了发电机具有良好的悬浮力和电磁性能;另外,将设计的样机进行试验,验证了该发电机具有良好的动态性能;最后针对发电机常见的变速、变负载的问题,基于有限元仿真分析了其对发电机运行性能的影响。仿真结果说明该发电机在特殊工况下具有良好的悬浮性能。研究表明提出的新型发电机具有良好的动静态性能可以稳定运行。

永磁同步发电机匝间短路故障对绕组绝缘温升特性的影响

本文分析了永磁同步发电机匝间短路故障前后的绕组绝缘温升特性。首先推导了正常情况和匝间短路故障下的气隙磁通密度,相电流、铁心损耗和绕组铜耗解析表达式;然后建立了发电机三维有限元仿真模型,将电磁场中计算得到的各类损耗作为热源导入温度场计算绕组绝缘温度分布;最后实测了LR-5型故障模拟永磁同步发电机组在不同短路程度下的绕组绝缘温度,理论分析、仿真计算与实验结果相互吻合。结果表明:匝间短路故障后在故障绕组电流的作用下,绕组绝缘温度明显上升,并且随着短路程度的增加而加剧,由绕组绝缘热载荷分布不均而引起的变形、应变和应力也将增加;绕组鼻端处绝缘易因高温而受损,可通过改进冷却散热结构,或在鼻端绝缘局部涂覆耐热涂层提高鼻端绝缘的可靠性。

基于混合势函数的永磁同步风力发电机暂态稳定性分析

永磁同步发电机(permanent magnetic synchronous generator,PMSG)作为海上风力发电的主要设备,是风电技术的重要发展方向。然而,PMSG在运行过程中,受到大扰动干扰会导致其暂态稳定性下降。因此,针对PMSG风机大扰动下的暂态稳定性阈值难以判定的问题,本文基于混合势函数理论,建立了PMSG风机系统简化后的混合势函数模型,并推导出PMSG风机在大扰动后的暂态稳定判据。通过仿真后的网侧电流波形和网侧功率波形验证了暂态稳定判据的准确性,并调整各参数数值以分析PMSG风机暂态稳定性与风机参数、故障深度、故障时间和风速的关联性。

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。

基于QROGI的永磁同步风力发电机定子电流谐波抑制方法

针对永磁同步风力发电机驱动系统中定子电流谐波的问题,提出一种基于准降阶广义积分器(QROGI)的电流谐波抑制方法。将QROGI控制器引入电机控制电流环,利用QROGI控制器在设定交流频率处的高增益以抑制谐波电流;针对旋转坐标系下谐波电流分量在交直轴上表征为交流量,通过在电流内环叠加QROGI控制器实现对谐波电流的控制;对叠加QROGI的电流环控制器进行详细理论分析,对电流环控制器参数进行设计,给出详细的分析过程及控制器参数定量计算方法。最后通过搭建半实物实验平台验证了所提方法能够对永磁同步风力发电机定子谐波电流进行有效抑制。

模型预测转矩自抗扰控制下直驱永磁同步发电机最大追踪系统

为了更好地获取风能,构建了一种基于模型预测转矩自抗扰的最大功率追踪控制系统,用于直驱永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)来实现系统的最大输出功率追踪。为了提升PMSG响应性能,增强PMSG抗扰动性能,首先在电流环设计了模型预测转矩控制(model predictive torque control,MPTC),同时在速度环提出了一种参数补偿改进自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)策略,该方法继承了ADRC和MPTC的优点,可以很好地处理内部和外部干扰、建模误差和风速变化等不确定性问题,以实现在不同风速下最大功率追踪性能。从仿真结果可知当风速变化较小时所提控制策略转速静态误差几乎为0,传统MPTC控制策略误差为0.2 rad/s;当风速变化较大时所提控制策略转速静态误差较小,传统MPTC控制策略误差达到5 rad/s。研究结果表明所提出的控制方法在最大功率追踪较传统控制器具有更好的动态响应性能以及抗干扰性能。

新型双转子双定子永磁同步发电机的磁场及耦合效应分析

为了解决目前海上风力发电机存在的成本高、体积大等问题,提出一种新型双转子双定子永磁同步发电机(DRDS-PMSG).建立了发电机的等效磁路模型,采用有限元分析方法评估了发电机的电磁特性及内外电机的耦合效应,部分仿真结果得到了实验验证.仿真结果表明:随着内、外永磁体相对位置的改变,电机等效磁路存在3种典型情况,并可通过耦合系数对耦合区域的等效磁阻进行描述;内、外电机的耦合效应体现在齿槽转矩、电磁转矩等电磁特性上,内、外电机的齿槽转矩峰峰值分别为0.52和1.64 kN·m,电磁转矩平均值分别为11.65和27.09 kN·m,转矩脉动分别为6.02%和4.12%;总体来看,内、外电机之间存在一定程度的耦合,但该耦合效应被隔磁环有效削弱.

具备内部故障仿真能力的永磁同步发电机电磁暂态建模与仿真方法

对永磁同步发电机(PMSG)内部定子绕组故障的精确建模与仿真有助于设计有效的状态检测系统和控制保护策略。首先对PMSG内部故障特征进行分析和详细的数学推导,给出了适合电磁暂态(EMT)建模的状态空间形式的动态方程。进而提出了一种PMSG内部故障EMT建模与仿真方法,并推导出其等效电路。利用MATLAB对推导出的方程进行了数值计算迭代求解,并在PSCAD/EMTDC中搭建了PMSG测试模型,与数值计算结果进行分析和对比验证。分析结果表明,PMSG内部故障会在短路路径中产生较大的循环故障电流,但是从发电机外部特性很难判断是否发生内部故障。对比验证结果表明,所建立PMSG内部故障EMT模型可准确反映内部故障特征,验证了所提建模方法的正确性。

直驱式永磁同步风力发电机调速仿真系统的教学应用——以“电力拖动及自动控制系统”课程为例

在碳中和、碳达峰背景下,风力发电作为重要的清洁能源,在电力能源中所占比例不断提高。对风力发电机的有效调速可以实现发电功率的最大化,由于交流风力发电机的调速系统复杂、关联度高、耦合性强,在实际运行调节过程中,需要综合考虑各种因素的影响,操作控制难度大,无法进行现场实验。基于“电力拖动及自动控制系统”课程教学的需求,构建了以综合设计为主体、探索创新为导向的直驱式永磁同步风力发电机(PMSG)仿真系统实验体系。通过虚拟仿真实验,学生对先进交流电机的调速系统有了整体认识,了解风力发电最大功率跟踪调速的基本知识,对专业的工程应用有了深入了解,增加专业认同感。针对不同的教学目标,设置多层次实验任务,满足不同学生的学习需求,激发学生学习兴趣,提升相关专业课程学习和实验的教学质量。

MP-MMC驱动六相永磁同步发电机负载转矩观测前馈滑模控制

六相永磁同步发电机(PMSG)谐波含量较低、解耦方法成熟且稳定性强,具有广阔的应用前景。为提升六相PMSG负载转矩突变时的动态性能,增强系统的抗干扰能力,提出了一种利用负载转矩观测值前馈补偿的策略。首先,采用滑模观测器观测负载转矩,观测器滑模面设计为实际转速与观测转速之差,在观测过程中滤除了抖振信号,且未引起相位和幅值变化;其次,将负载转矩观测值按比例前馈至电流环给定值,弥补滑模控制器不连续项幅值不足的问题;再次,针对前馈比例常数过大导致转速无法快速稳定在给定值的问题,将前馈比例系数设为可变值;最后,基于Matlab/Simulink建立了多相模块化多电平换流器(MP-MMC)驱动六相PMSG负载转矩观测前馈滑模控制的仿真模型,对所提策略进行验证。仿真结果表明滑模观测器可准确观测负载转矩,前馈补偿策略有效抑制了负载突变引起的转速波动。

基于双环路同步旋转的双三相永磁同步发电机自抗扰谐波电流抑制

双三相永磁同步发电机(Dual three-phase permanent magnet synchronous generator,DTP-PMSG)具有高功率密度、高容错性和高可靠性等特点,广泛适用于高端装备领域。但由于电机气隙磁场畸变及整流器开关器件死区时间等非线性因素的影响,导致双三相永磁同步发电机定子绕组中通常含有大量谐波电流。谐波电流会增加系统损耗,降低发电机效率,影响发电系统性能,特别是映射到x-y谐波子平面上的5、7次谐波,由于该平面对应的阻抗较小,因此即使很小的谐波电压扰动都会引起较大的5、7次谐波电流。为抑制定子绕组中的谐波电流,提出基于双环路同步旋转的自抗扰谐波电流抑制策略。所提策略利用双环路同步旋转坐标变换将x-y谐波子空间的5、7次谐波分别映射到与其同步的旋转坐标轴系中,在各自环路中采用自抗扰控制器将12倍频交流分量视为系统总扰动的一部分观测出来并对其补偿,从而实现对多维谐波电流的有效控制。最后,通过试验验证了所提控制策略的正确性和优越性。

大兆瓦风电机组永磁同步发电机控制

随着风能技术和风电产业的发展,风电机组不断大型化,永磁发电机组成为海上风电的主流技术路线。根据机组运行状态,永磁同步发电机会工作在不同的工况。首先介绍风电机组的功率控制策略,然后基于数学模型分析了永磁同步发电机运行限制条件,推导了永磁同步发电机最优运行轨迹,最后提出了大兆瓦永磁同步发电机控制策略并完成了仿真和实验验证。

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。

面向低温余热发电的永磁同步发电机控制方法研究

低温余热发电技术是一种具有前瞻性、高效且环保的发电方式,具有广泛的应用前景和重要的战略意义。基于永磁同步发电机的数学模型,围绕低温余热发电系统,结合矢量控制原理,对低温余热发电系统的永磁同步发电机控制进行研究,采用id=0的矢量控制方法来提高发电系统的工作效率。在Simulink环境中,搭建了永磁同步发电机id=0的矢量控制系统仿真模型,对涡轮机转速和转矩突变两种情况进行仿真实验,仿真结果表明,该控制系统能够高效地控制发电机的转速,确保发电机在给定转速下稳定运行。

一种用于永磁同步发电机倍频噪音抑制的控制方法

由于永磁同步发电机结构设计存在不可避免的偏差,以及风电变流器开关器件的非线性特性,永磁同步发电机的输出转矩存在一定的脉动。然而,电机较大的转矩脉动会增加风电机组系统的机械应力,加速部件磨损,产生噪声和振动,影响塔筒寿命,从而影响整个系统的稳定性和可靠性。针对国内某厂家3.2 MW风电机组发生机组噪声大、振动明显问题,提出了一种基于负载电流的主动谐波注入自适应转矩脉动抑制控制方法,通过理论研究及现场分析测试,该方法有效降低了该款机型76%以上的噪声和振动。该方法针对发电机机侧产生的5次、7次电压谐波,通过在机侧变流器控制算法中注入5次、7次补偿电流,该电流与基波永磁磁势相互作用,保持电机内部总磁链接近于期望值,降低发电机振动频率。并通过现场数据实测,选定每个转速段固定的消谐参数,实现倍频噪音抑制的目的。

用于振荡水柱波浪发电系统的高效永磁发电机仿真分析与试验验证

针对空气透平的运行特性及系统在宽转速和宽功率范围高效运行的要求,初步设计内置式永磁同步发电机关键参数,建立其二维有限元模型并进行优化。根据有限元优化后的电机尺寸,完成样机研制并分析测试其主要电磁性能。仿真分析和测试结果证明样机适合用于振荡水柱波浪能发电系统。

一种多模型融合的风电系统永磁同步发电机数字孪生建模方法

针对当前风电系统永磁同步发电机(PMSG)建模技术存在设备内部参数理想化和系统耦合单一化的不足,无法满足数字孪生技术对设备虚拟模型要求的问题,提出一种面向数字孪生的风电系统永磁同步发电机建模方法。首先,依据实体样机参数,构建2 MW PMSG本体及电磁模型。之后为实现系统对PMSG的控制,基于联合仿真技术利用数字孪生建模平台搭建风电系统PMSG控制电路,实现多系统耦合仿真建模;在此基础上,充分考虑电机传热散热特性等影响,对PMSG热模型进行了构建与计算,并针对温度场计算流程复杂,不具备实时性等问题,引入一种改进的粒子群优化支持向量机(PSO-SVM)代理模型方法对热模型进行降阶处理并集成;最终完成了基于多模型融合的PMSG数字孪生虚拟模型建模,并采用实体风机运行数据进行验证与测试,结果表明该模型可以有效地反映PMSG真实运行特性。

基于VSG的永磁风力发电机高/低电压穿越研究

为解决永磁风力发电机在高/低电压穿越期间并网点电压和频率波动问题,提出采用虚拟同步发电机(VSG)控制网侧变流器,提高永磁风力发电系统惯性和阻尼,使其在电压穿越期间支撑并网点电压和频率的恢复。通过VSG的有功-频率调节作用,根据系统频率变化量,调节网侧变流器有功功率输出能力,在转动惯量和阻尼系数的作用下实现对频率波动的抑制;调节VSG的无功功率指令实现对虚拟电动势的调节,使其在电压穿越期间为电网提供动态无功支撑,对并网点电压进行调节。并有效抑制连续高/低电压穿越期间系统功率、频率持续性波动,提高系统在连续高/低电压穿越期间的并网稳定性。最后,通过系统仿真验证所提控制策略的有效性。

正十二边形矢量集的永磁同步发电机磁链预测控制

针对磁链预测问题,基于广义比例积分观测器原理设计磁链观测器,并基于此实现具有误差校正的磁链预测,提升磁链预测精度;针对备选电压矢量较少的问题,构造一种均匀对称分布的正十二边形矢量集,不仅增加可选矢量数量,而且矢量集的正十二边形分布特征有利于特定次开关谐波的消除。基于以上核心算法,最终为风电系统中PMSG设计FCS-MPFC方案,并通过实验验证所提方案具有较强的参数鲁棒性和较高的转矩控制精度。