模块化多相永磁风力发电机串并联直流海上风电场电压协调控制

为满足高电压、大功率、高可靠性的风电场直流输电系统电能传输需求,该文提出基于模块化多相永磁风力发电机的新型串并联直流海上风电场拓扑,以及模块化多相永磁风力发电机串并联直流海上风电场电压协调控制方法。首先,建立基于模块化多相永磁风力发电机的直流风力发电系统数学模型,设计了模块化多相永磁风力发电机无差拍功率预测控制器,来提升dq轴电流跟踪精度和动态响应速度,并补偿无差拍预测控制器中的单拍延迟;然后,针对模块化多相永磁同步发电机串并联拓扑结构特点,提出一种考虑直流风电场潮流的功率-电压协调控制策略,通过实时调节风机的有功功率参考值,来抑制串并联直流风电场的风机过电压;最后,搭建了基于模块化多相永磁风力发电机的3×6×5 MW串并联直流海上风电场的模型,来验证所提无差拍功率预测控制和功率-电压协调控制的有效性。

基于兆瓦级模块化永磁风力发电机定子冷却系统设计研究

本文以3.2MW永磁发电机为例,设计定子通道式水冷,并采取流固耦合方法来对模型进行建立、定子轴向风冷以及壳套式水冷方案进行对比。

14极12槽定子模块化永磁电机的性能分析

永磁电机的定子模块化结构有利于大型电机的制造、运输、组装和维护,对于可模块化且极数多于槽数的电机,定子模块化结构还能提高电机的部分性能。利用有限元软件分析了定子模块化结构对14极12槽永磁电机性能的影响,结果表明,模块化结构对定子磁密、转矩和损耗等参数有影响,可利用合适的模块间隙宽度来提高电机负载转矩并降低转矩脉动。

模块化绕组在小型永磁风力发电机中的应用

针对1000 W的永磁风力发电机,采用电磁场有限元分析软件Magnet分析了给定的性能指标及主要尺寸下,不同的集中绕组结构对发电机空载电动势和起动阻力矩的影响。结果表明,采用24槽/22极模块化绕组方案,发电机空载电动势的正弦度高,起动阻力矩小。分析结果对小型永磁风力发电机的绕组设计具有一定参考价值。

模块化定子永磁风力发电机及其控制

针对海上风能开发和利用,提出和设计了一种新型结构的永磁风力发电机。所提出的电机由多个空间均匀移相的模块化定子永磁发电机(MSPMG)组成,每个MSPMG是独立的单相双凸极电机,每个定子模块包含永磁、齿极和线圈,减小了模块间的磁耦合和线圈互感。通过分析MSPMG的电磁特性和发电原理,基于变分原理推导出MSPMG的最优功率控制策略,利用单相H桥全控整流电路实现了对电枢电流的控制。有限元分析证明MSPMG各个模块间的磁路耦合很小,运行状态相互独立,因此该电机具有很强的容错运行能力。基于软件仿真证实了所设计电机及其控制策略的正确性和有效性。

兆瓦级模块化永磁风力发电机定子冷却系统设计与分析

兆瓦级永磁直驱发电机是风力发电发展的重要趋势,其冷却系统设计的合理性是判断发电机可靠性的一个重要指标。针对大功率永磁发电机体积大、散热困难、耗散产热功率大及永磁体易受温度影响发生不可逆退磁等问题,以3.2 MW模块化永磁直驱发电机为例,设计了一种定子通道式水冷方案,并应用流固耦合方法建立计算模型,与壳套式水冷方案和定子轴向风冷方案进行对比,研究发电机定子冷却系统设计方案。结果表明:采用外转子结构时,冷却通道应贴近定子,且水冷方式比空冷方式均温性好,冷却效果更好;该方案最大温度梯度低,进出口流体温差小,有利于电机以外设备的散热,但其经济性略差。

10MW多相分瓣永磁直驱风力发电机设计研究

海上风力发电是未来风力发电的主要方向,直驱永磁同步发电机相对于中速、高速风力发电机结构简单,便于维护,缺点是随着电机容量增大,体积增大给设备安装和运输带来不便,大容量直驱永磁同步发电机轻量化、模块化设计将是本文主要研究方向。与传统发电机相比,多相永磁发电机可靠性强,容错性高,转矩波动小,功率密度高,因此本文基于模块化设计理念以及多相发电机的电磁设计理论,提出了一种分瓣、六相永磁直驱风力发电机设计方案。基于有限元分析,对不同槽极配合的发电机的齿槽转矩和反电势进行对比分析,确定合适的电机极槽比设计方案,同时基于场路耦合分析,对永磁同步电机的负载及永磁体在极端工作情况下的退磁进行研究,基于以上分析计算,得出一种六相10MW外转子永磁直驱发电机设计方法,并证明了该方案的可行性和有效性。

永磁风力发电机动态温度场的测试与分析

针对永磁风力发电机在运行过程中出现的高温失磁现象,采用专业的FLIR红外热成像仪采集了各工况下永磁风力发电机的外壳、定子、磁钢及转子温度场,并利用Tecplot软件对试验数据进行后处理。通过对比分析温度分布图,得出了永磁风力发电机动态温度场的分布规律,在此规律下对采用的永磁材料NdFeB的动态性能进行分析,提出了永磁风力发电机动态失磁的条件、原因及优化改进温度场分布的可行性意见,为今后永磁风力发电机的设计、生产提供了参考数据和防失磁技术的研究依据。

MP-MMC驱动六相永磁风力发电机建模及控制研究

针对多相模块化多电平变流器(MP-MMC)驱动多相发电机的控制问题,基于矢量空间解耦理论,建立Y移30°六相永磁同步发电机(PMSG)在旋转坐标下的数学模型;将传统三相MMC拓扑结构推广至六相,并驱动六相永磁风力发电机。在控制上采用电流矢量解耦方法对六相永磁风力发电机的输出电流进行跟踪,同时对系统谐波成分加以抑制;对于MMC内部子模块电容电压稳定、环流抑制,采用闭环均压策略进行控制。最后通过在软件中搭建仿真模型,对发电机稳态运行以及功率突变时运行状态进行模拟,仿真结果表明:该系统具有良好的输出特性和鲁棒性能,验证了MP-MMC能够有效驱动六相永磁发电机实现平稳发电。

MP-MMC驱动六相永磁同步风力发电机分数阶PID控制研究

针对多相模块化多电平变流器(MP-MMC)驱动多相发电机,在Y移30度六相永磁同步发电机(PMSG)旋转坐标系下的数学模型基础上,引入了分数阶PID控制器。分数阶PID控制器相比整数阶PID控制器增加了两个控制自由度,即主要影响控制系统稳态性能的积分阶次λ和主要影响控制系统动态性能的微分阶次μ,使得分数阶PID控制器的设计更加灵活。在MMC内部能量均分部分采用分数阶PID控制器可使得子模块电容电压峰峰值及其谐波畸变率降低,进而输出电压波形得到改善;也使得MMC的桥臂环流峰峰值降低,环流波形得到改善。在发电机转速侧,发电机定子的d、q轴电流闭环控制侧部分采用分数阶PID控制器可使发电机转速动态性能与稳态性能进一步改善。在z1和z2子空间的谐波分量控制部分采用分数阶PID控制器可使得系统谐波影响更小,控制效果更佳。最后,仿真和实验结果验证了分数阶PID控制器具有良好的控制性能,可进一步提升了六相PMSG-MMC系统的运行能力。

永磁同步风力发电机变流器控制策略与实验研究

介绍了一种基于MW级直驱永磁同步风力发电机的变流器的设计方案,并且采用模块并联以及多重化技术,降低各模块容量的同时,有效地减小了发电机和并网电流中的谐波含量,提高了系统的稳定性和电能质量。给出了实验结果,验证了控制算法的有效性。

基于MRAS的多相永磁直驱型风力发电系统无速度传感器控制策略研究

对采用多相永磁同步发电机的大功率直驱型变速恒频风力发电系统进行了研究。系统采用六相永磁同步发电机和多重化的AC-DC-AC变换器,以减少每个电机绕组中的电流和每个电力电子变换器中的电流。研究了一种基于模型参考自适应(Model Reference Adaptive System,MRAS)的六相永磁同步发电机无速度传感器控制策略。该策略将永磁同步发电机本身作为参考模型,将发电机的电流模型作为可调模型,设计了自适应律同时辨识永磁同步发电机的转速和转子位置。还研究了基于变步长爬山法的最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制策略,该策略具有动态功率跟踪速度快和稳态时速度平稳的优点。实验结果表明,上述控制策略在负载突变和转速突变时均能准确地检测到发电机的转速和转子位置;在风速变化时能准确地跟踪最大功率。

模块化海上永磁直流风机设计与仿真研究

针对海上全直流风场的传统风机串联升压拓扑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,提出一种模块化海上永磁直流风力发电机组(直流风机)拓扑。通过分数槽集中绕组直驱永磁同步发电机和磁集成变压器的结合,能够直接在机端产生高压直流,且故障容错能力强。通过建立发电机本体和电力电子变换器的数学模型,设计该拓扑的发电机绕组电流功率因数校正控制方式和机内低压直流母线稳压控制方式。仿真结果表明机组在启动、变速、故障和停运情况下能够实现工作状态的平稳过渡,以及最大功率点跟踪,这为未来海上全直流风场的研究提供了技术参考。

直驱永磁风力发电系统建模与仿真方法研究

针对我国风机装机保持的快速增长形势,研究、分析了基于PSCAD/EMTDC的直驱永磁风力发电系统建模与仿真。基于电机原理和控制理论,对直驱永磁风机系统模块化建模;建立了dq坐标系下风力发电机模型,并将典型功率外环、电流内环双环控制策略应用机侧变流器,典型电压外环、电流内环双环控制策略应用网侧变流器。基于PSCAD/EMTDC平台搭建直驱永磁风机并网系统和控制策略,算例验证了模型和策略的有效性,结果表明:所建风机系统模型可通过桨距角控制保证风机安全,并实现最大风能捕获;机侧变流器控制策略能快速响应风速变化、实现指令值的快速跟踪,网侧变流器控制策略可保证变流器单位功率因数输出及直流侧电容电压恒定。

直驱型变速恒频风力发电系统中零序环流的研究

对采用多相永磁同步发电机的大功率直驱型变速恒频风力发电系统进行研究,介绍了适合于大功率直驱型风力发电系统的结构。系统采用了多重化的AC-DC-AC变换器,以减少每只绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)上的电流和流入电网的谐波电流,但并联多重化变换器中存在的零序环流会增加功率半导体器件损耗。推导了零序环流的数学模型,分析零序环流的产生原因,提出一种基于零轴电流反馈控制的零序环流控制策略。该控制策略不需要改变电路拓扑,算法实现简单,易于模块化的设计,且适用于基于传统正弦脉宽调制的多重化变换器的控制。仿真和实验结果表明,该方法能够很好地控制零序环流,减少对系统的损害。

基于多相PMSG和三电平变流器的风电机组低电压穿越

当前国内外对于风电机组的并网规范都要求电网发生电压跌落时风电机组能够保持不脱网运行以帮助电网故障恢复。针对一种新型的基于多相直驱永磁同步发电机(PMSG)和混合式三电平变流器的大功率直驱风电系统的低电压穿越技术进行了研究。首先分析了电网故障对直驱风电系统带来的影响,然后给出了新型机组的低电压穿越策略,即通过改变电机侧和电网侧变流器的电流给定,配合发电机转速调节的方法来控制系统的能量传输,进而达到穿越故障的目的。最后建立了所提出的风电系统的时域模型,给出了不同电网故障情况下的仿真结果,验证了控制策略的可行性和有效性。

基于大功率模块化多电平并网变流器的永磁直驱风力发电系统矢量控制方法研究

进行了模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)电路拓扑结构分析,对其工作状态原理进行阐述。将MMC电路拓扑应用到永磁直驱风力发电系统,使用基于电容电压排序的矢量控制作为逆变器控制策略。通过仿真软件搭建所述系统,仿真结果证实了控制方式的可行性。

模块化对永磁同步电机运行特性的影响

目前，风电产业已经转向研发在海上装置中应用的高功率风力机。这类海上装置最显著的特点之一就是，在一年的大部分时间内，进入风力机内的次数是有限制的。也就是说，此类设备需要较少次数的维修保养。永磁直驱式装置在海上风电产业中占有很大的优势。因为它没有齿轮箱和外部励磁系统，因此可靠性好、寿命长且维修次数少。直驱式结构具有较低的发电机转速，这就要求其具有较多的极对数。用在直驱式结构中的多极永磁电机的尺寸超过了厂家和安装时的尺寸要求，以及运输时的尺寸要求。于是，基于对定子和转子模块化的设计提出了新型电机的研究，同时模块化设计对电机运行特性的影响也必须进行分析。本文对一台具有分数槽绕组的内转子表贴式径向永磁同步电机进行了研究，主要研究了转子模块化对磁通、感应电势、齿槽转矩等参数的影响。电磁研究是基于有限元分析法，在FLUX2D软件下进行求解。本文以一台40对极，84槽，外半径为3．206m的电机为研究对象。在研究过程中，考虑模块数量和每个转子模块中永磁铁的数量。

机械弹性储能箱结构及并网控制策略优化

机械弹性储能(MEES)机组核心部件是机械弹性储能箱,提出了单体储能箱模块化-推拉式机械装配技术,基于传统储能箱组"手拉手"机械结构,通过增加单向超越离合器使储能箱之间实现了柔性联动,且具有防反转自锁功能。建立了储能箱额定功率、储能容量配置数学模型,并根据其特殊运行特性曲线,提出一种适用于机组发电过程的永磁同步发电机转速自适应控制算法,同时提出一种网侧变流器反推鲁棒控制算法。实验结果表明,所提方法能有效抑制机组参数扰动,永磁同步发电机能够快速响应、平稳运行,网侧变流器直流侧电压稳定并可以单位功率因数并网运行,发挥机组最大出力,有助于减小机侧变流器容量。

基于MPPMSG及混合式3L变流器的新型风电变换系统的设计和比较

在MW级大功率直驱风电系统中,发电机出口电压等级经常采用较低的690V,因此额定电流等级比较高,这对于全功率变流器设计是不利的。常规的解决方案是采用传统的两电平变流器并联来分摊容量,但是这是一种效率不高的解决方案。相比之下,多电平变流器具有较高的效率以及优越的谐波性能,只是在低压应用中半导体成本很高,而且还存在电容电压平衡控制的问题。文中提出一种基于直驱多相永磁同步发电机(MPPMSG)的三电平混合式变流器的拓扑方案,用以替代传统的三相发电机和两电平变流器并联的方案。通过三电平变流器的串并联组合,这种新方案不仅能够克服三电平变流器电容中点电压平衡和三倍基波电压脉动,而且其成本也与常规两电平并联方案相当,最重要的是这种方案具有较高的效率。论文详细讨论了这种技术方案的拓扑结构、参数设计、电容平衡控制以及损耗等问题。