气隙静偏心故障对永磁风力发电机定子绕组振动的影响

端部绕组振动是导致绝缘磨损和退化的关键因素之一,综合分析永磁风力发电机气隙静偏心故障前后定子端部绕组的振动特性。首先,推导正常情况和气隙静偏心故障下的气隙磁通密度,得到端部绕组的电磁力表达式;然后,基于电磁-结构耦合模型,得出绕组电磁力、应力应变等力学响应特性;最后,实测3 kW故障模拟发电机在正常和气隙静偏心故障情况下的定子绕组振动响应。实验结果与理论分析、有限元计算结果基本吻合。结果表明:气隙磁通密度随偏心程度的增加而增大(气隙减小处),随偏心故障加剧端部绕组电磁力/振动增大,绕组电磁力/振动以偶倍频为主。另外,直线段绕组和端部绕组的连接处为振动磨损危险位置。

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。

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。

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。

风速分布差异对永磁风力发电机组故障特性的影响分析

为了更有效地辨识永磁风力发电机组的故障特征,从叶轮扫掠面内的实际风况出发,综合考虑风剪切、塔影效应产生的风速时空分布差异,并研究该差异对永磁风力发电机组故障特征的影响。首先介绍考虑风速时空分布差异后的风速模型(等效风速模型),然后基于该模型对永磁风力发电机组常见的电气和机械故障特性进行理论分析,分别推导得出考虑风速时空分布后绕组不对称故障、叶轮不平衡故障以及这2种故障复合作用下的定子电流表达式;最后利用Matlab/Simulink平台进行仿真验证。研究结果表明,与现有的基于轮毂处平均风速的故障特征相比,考虑风速时空分布差异后,永磁风力发电机绕组不对称故障特征中含有3kP(k为整数,P为叶轮转频)为主的调制频率;叶轮不平衡故障特征频率除P和3kP外,还出现了P与3kP的耦合调制;复合故障下频率成分会更复杂。

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。

半直驱永磁风力发电机散热性能影响因素研究

[目的]随着风力发电技术的发展,永磁风力发电机单机容量不断增加,发热功率也随之增大,发电机散热正面临前所未有的挑战,如何有效地解决发电机温升高、散热难的问题一直是我们研究的重点。[方法]文章基于STAR-CCM+软件平台建立了发电机散热-冷却一体化数值模拟方法,通过与实验值对比验证了数值计算方法的可靠性。在此基础上对大功率永磁风力发电机内部温度分布规律以及冷却系统散热性能影响因素进行了研究。[结果]在额定功率下,绕组、定子铁芯的最高温度出现在中层区域,工艺条件允许的情况下,冷却水管位置应尽可能靠近绕组,以带走更多的热量;增大发电机总进风量,可显著降低定子铁芯温度和绕组温度;进风温度与绕组、定子铁芯最大温度呈线性关系,进风温度每降低5℃,最高温度降低约1.4℃,降低进风温度可一定程度上改善发电机散热性能;进水温度与绕组、定子铁芯最大温度呈线性关系,进水温度每降低5℃,最高温度降低约3.3℃,降低进水温度可大幅提升发电机散热性能。此外,冷却水管与定子铁芯的间隙极大地阻碍了冷却水管的换热,在间隙中填充导热性能好的材料可有效改善发电机散热性能。[结论]文章所得结论可有效指导永磁风力发电机的散热设计,能够保障风电机组在正常工作中安全运行。

半直驱永磁风力发电机轴电压测量及抑制方法研究

针对兆瓦级半直驱永磁发电机轴电压测量及抑制问题展开研究。首先从驱动系统和叠片方式上对轴电压产生机理进行了解析分析,并在叠片方式上进行有限元计算以验证分析的合理性。然后研究了不同变频器供电、叠片方式、不同接地线长度以及不同绕组排布方式下对轴电压测量影响,最后对该机组轴电压抑制问题提出两种抑制方法。最终研究表明,该研究为减小轴电压测量干扰和轴电压抑制提供切实可行的依据。

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。

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。

永磁风力发电机三维温度场计算及分析

为判断永磁风力发电机定子绕组及永磁体运行时的稳定性,准确计算电机内的温度场非常重要,以一台100kW,100r/min的径向磁通永磁同步风力发电机为例,采用三维有限元法对发电机的温度场进行计算,并分析在计算中某些关键因素对温度场计算结果的影响。通过对计算结果与实验数据的比较分析,验证了计算方法的正确性;得出了一些有意义的结论,可为永磁同步风力发电机的设计提供参考。

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。

永磁风力发电机流体流动及传热性能数值研究

随着风力发电机容量增加,电磁负荷不断增加,发电机温升计算以及冷却介质流动分析的重要性不容忽视。针对发电机内部温升分布不均、流体流动复杂的问题,以计算流体力学(CFD)和传热学为理论基础,根据2.5 MW永磁风力发电机通风系统结构和传热特点,建立全域三维流动及传热耦合的物理模型和数学模型,结合工程实际给出基本假设和边界条件,采用有限体积法(FVM)对流体场及温度场进行求解,得出发电机内部冷却介质流动性能、传热特性、表面散热系数以及发电机各部件的温升分布情况,并将耦合场计算结果与实测结果进行比较分析。结果表明,数值研究与实验数据相吻合,为永磁风力发电机综合物理场的准确计算以及通风结构的优化提供了理论依据。

聚磁式场调制永磁风力发电机输出特性改善的研究

根据场调制永磁风力发电机工作原理,推导其功率尺寸方程和电枢反应电抗压降表达式,提出改善此类场调制电机输出特性的方法。分析一种外转子聚磁式场调制电机结构,建立不同极槽数配合的聚磁式和传统永磁体表贴式场调制电机有限元模型,仿真分析磁路结构改变和极槽数配合对场调制电机相绕组电感和输出特性的影响。试制1台18槽/8极聚磁式场调制永磁电机样机,实验结果与仿真和理论分析一致,表明辐条嵌入式永磁体安排和合理的极槽数配合使得所提聚磁式场调制电机具有输出电压调整率小、外特性硬的特点。

高功率密度永磁风力发电机非稳态温度场分析

基于传热学原理,建立永磁风力发电机温度场数学模型,并提出求解域内的基本假设及相应边界条件,采取有限元分析软件以样机1/4为计算区域,分别计算出不同参数定子、磁钢温度场,得到运行时达到的最高温度分布情况及其热量传输路径;并采用FLIR红外热成像仪采集各工况下的实际温度分布。通过对比计算与实测结果,相互验证并弥补各自不足后,得出永磁风力发电机动态温度场分布规律,为今后风力机专用永磁发电机的设计生产提供了参考依据。

基于滑模的直驱型永磁风力发电机控制

针对安装速度传感器给直驱型永磁风力发电系统带来的可靠性降低、成本增加等缺陷,采用无速度传感器的方法对发电机的转子角度和位置进行估测。结合滑模观测器对电机参数和测量的鲁棒性强以及转子磁链定向的矢量控制能够实现dq轴的解耦控制的优点,建立了基于滑模观测器的直驱型永磁风力发电机的无速度传感器控制系统模型。该系统不仅能够精确地获得转子转速和相位信息,实现高性能的矢量控制,而且能够实现有功、无功功率的独立调节。为了解决传统滑模观测器不连续的砰-砰控制产生的高频抖动,引入了连续的饱和函数。2 MW直驱型永磁风力发电机控制系统仿真验证了该方案的可行性,7.5 KW模拟系统实验结果进一步表明系统具有良好的动静态性能。

基于类神经网络的MW永磁风力发电机短路故障智能诊断

针对大型永磁风力发电机故障诊断工作薄弱的现实,通过建立基于发电机结构的典型短路故障仿真模型,对多种电磁场和温度场故障联合研究,利用同一模型场路耦合求解电磁场和温度场,得出短路故障发生时的电磁场和温度场数据及分布规律;为提高诊断可靠性,先利用BP网络诊断,后利用Elman神经网络对动态系统诊断较为优越的特点诊断,最后概率神经网络(PNN)对短路故障发生时的多源数据(电流、磁场、温度和振动特征信息)融合处理诊断,以判断发生单一或者复合故障;结合MW永磁直驱样机的试验数据及风电场的运行数据,对发电机典型短路故障进行理论结合试验的诊断,分类对比了诊断结论。

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。

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。

永磁风力发电机流场与温度场耦合分析

根据2.5MW永磁风力发电机通风结构及传热特点,建立流动及传热耦合的三维物理模型,结合工程实际给出基本假设和边界条件。根据计算流体力学和传热学理论给出耦合求解的数学方程,采用有限体积法(FVM)对流体场及温度场进行耦合求解,并利用实测温升数据验证耦合场计算结果的正确性。最后,对发电机温升分布以及流体冷却性能进行了详细分析,为永磁风力发电机温升的计算以及通风结构的设计提供了理论分析的参考依据。