绕组开放式永磁发电机系统整流桥电压矢量补偿控制方法

针对绕组开放式永磁发电机结合逆变器-整流桥拓扑构成的新型发电系统中由于整流桥的存在导致的发电机绕组中存在较多谐波含量的问题,分析了系统中电机绕组电流谐波的产生原因及其组成部分,根据整流桥输入电压矢量与电流状态的对应关系,对逆变器和整流桥的电压空间矢量进行合成,提出了一种基于整流桥电压空间矢量补偿的新型控制策略,消除了整流桥的非线性影响,实现绕组开放式永磁发电机系统的高效率运行。

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。

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。

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。

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。

机械整流永磁发电机复合转子系统的动态特性研究

机械整流永磁发电机的复合转子系统是该发电机实现整流功能的关键结构。研究该复合转子系统在双向输入工况下的动态特性,是为了分析该转子系统各构件在双向输入工况下的振动变形程度。基于集中质量参数理论,建立了复合转子系统在双向输入工况下的动力学模型,通过龙格库塔法对该模型求解,得到了其在双向输入时各构件的动态特性。结果表明:复合转子系统各构件在双向输入时扭转振动位移波动幅值均在25μm左右,且各行星轮分路动态内外啮合力在双向输入时标准偏差均在200 N附近,即复合转子系统产生的振动程度相近;均载系数均随输入转矩增大而明显减小,在转矩达到500 N·m时趋于平缓,因此增大输入转矩能明显改善均载性能,使复合转子系统在双向输入工况下获得较好的动力学性能。研究结果对该发电机的减振降噪和可靠运行有重要意义。

并联式绕组开放式永磁同步发电机系统改进电流控制策略

为解决传统永磁同步发电机系统存在的输出电压调节困难和适应转速范围窄的问题,针对一种新型的并联式绕组开放式永磁发电机系统中固有的零序电流和谐波问题,在分析并联式绕组开放式发电系统工作原理与零序电流产生机理的基础上,提出一种改进型电流控制策略,该方法在传统PI控制策略的基础上,增加对发电系统中整流桥侧的偏置电压的补偿量,抑制PI调节器输出的波动,实现电流谐波的抑制。最后,通过仿真和实验分析验证了该文提出的改进型电流控制策略与传统电流控制策略相比具有优良的控制性能。

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。

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。

分数槽集中绕组永磁同步发电机电磁振动噪声分析

采用分数槽集中绕组的设计给永磁同步发电机带来更高效率、更小体积的同时也会使得电机的振动噪声问题更加突出。为确定永磁同步发电机电磁振动噪声的主要产生源,文章从永磁同步发电机的二维气隙磁场出发,依据Maxwell张量法得到径向及切向电磁力的表达式,分析了电磁力波的谐波来源与谐波特征。建立永磁同步发电机的电磁-结构-声场多物理域有限元仿真模型,提出通过单独加载径向力与切向力,对比分析了径向力与切向力引起振动噪声的贡献度,通过模态试验与振动噪声试验验证了解析模型建立的正确性与仿真模型建立的准确性,研究结果为永磁同步电机电磁振动噪声问题的分析与优化提供参考。

新型开放式绕组永磁同步电机矢量控制系统研究

双逆变器供电的开放式绕组永磁同步电机(open-end winding permanent magnet synchronous motor,OEW-PMSM)系统作为一种新型电机驱动拓扑,其直流母线电压利用率高、绕组电流控制自由度大、容错能力强,在电力拖动领域具有良好的应用价值。该文建立了OEW-PMSM的数学模型及其采用双逆变器供电的矢量控制系统,结合双逆变器工作原理和输出矢量,分析系统零序电压和零序电流问题,采用不产生零序电压的电压矢量进行空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)来消除零序电压,并给出实现算法。在采用消除零序电压的SVPWM控制时,双逆变器供电的OEW-PMSM可以将基速提高为星接绕组时的1.7倍,降低了系统弱磁设计和控制的难度。仿真和实验验证了所提方法的正确性和可行性。

储能/发电机级联式供电系统功率传输控制策略

随着可再生能源渗透率的不断提升,区域电网惯性逐步降低,暂态支撑能力严重不足,给电网带来了一系列安全问题。文中提出一种储能与开绕组永磁同步发电机(open-winding permanent magnet synchronous generator,OW-PMSG)级联供电的新型分布式并网发电拓扑,在保证可再生能源消纳的前提下,重新利用原有柴油机,为电网提供功率后备以及惯量支撑。通过对OW-PMSG进行建模以及系统功率流矢量分析,设计基于源网相位差闭环控制的功率传输策略,实现发电机的稳定同步运行。基于该策略,拓扑中的储能变流器可具备同步发电机特性,实现了电网惯性和暂态支撑能力的进一步提升。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。

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。

混合励磁发电机谐波无刷励磁系统设计研究

为解决永磁发电机气隙磁场调节问题并保持其无刷化的优点,提出一种基于谐波磁场的混合励磁发电机无刷励磁原理,推导转子励磁绕组电流与定子谐波励磁绕组电流之间的关联关系。给出了谐波无刷励磁系统的设计原则和方法,包括输入直流电流和不同频率交流电流励磁时的定子谐波励磁绕组极对数、转子谐波绕组和励磁绕组节距,以及构成谐波无刷励磁系统的绕组匝数的确定方法。以一台48槽、2对极的混合励磁发电机为例,详细分析了定子谐波励磁绕组、转子谐波绕组和励磁绕组设计过程,得到了相应的绕组展开图和绕组布置示意图。针对定子谐波励磁绕组极对数分别为8、12和24三种情况进行了仿真计算,电枢绕组空载线电压谐波分析与转子谐波绕组感应的谐波电动势次数均与理论分析相符。研制了一台谐波无刷混合励磁同步发电机样机,测试结果验证理论分析和计算的正确性。

基于三电平变流器的单边可控开绕组永磁同步发电机系统控制技术

为改善变流器单边可控下开绕组永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)的运行性能,提出了三电平中点钳位式(neutral point clamped,NPC)变流器和二极管整流桥集成供电的单边可控开绕组PMSG系统拓扑结构。通过建立开绕组PMSG数学模型,研究了基于三电平变流器的单边可控开绕组PMSG系统控制策略,并结合三电平变流器的中点电压(neutral point potential,NPP)波动机制,分析了在此结构下三电平变流器关于调制度范围和功率因数角范围的运行性能。最后,通过实验验证了所提控制策略的正确性和可行性。

基于直驱永磁风电系统的改进自适应滑模控制虚拟同步发电机策略

针对直驱永磁风力发电系统中,由逆变器间的等效输出阻抗和输电线路阻抗的差异导致传统虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制的多逆变器并联功率不均分和环流抑制效果较差的问题,提出一种改进自适应滑模控制的多台VSG功率均分及环流抑制控制策略。根据总负荷容量和各逆变器容量计算给定功率,并根据给定无功功率实时调整虚拟阻抗值,补偿因线路阻抗差异引起的电压降落差,在αβ坐标系下分别对2台VSG展开滑模控制设计。基于逆变器输出电压与VSG参考电压之差设计滑模面,且基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论设计由等效控制、切换控制和自适应补偿项构成的自适应滑模控制器。与传统方法相比,所提控制策略实现了功率均分且具有环流抑制能力,并提高了无功功率和VSG输出电压的分配精度。最后,在MATLAB/Simulink中验证了该控制策略的正确性和有效性。

涡轮发电系统发电机热管理优化

涡轮发电系统作为混合动力系统中的重要部分,其温升问题将影响到发电机的运行安全,导致整个混合动力系统停止运转,而发电机绝大部分热量集中在定子部分。本文基于混合动力背景,对某高速永磁发电机进行热分析研究,发现主要发热部位绕组和定子铁心各处温度分布存在一定不均匀性。基于此,分析两种冷却优化方向的效果。在水平双进口方案和轭部开孔孔径增大方案中,分别观察到各处温差明显减小以及电机整体温度明显降低,冷却效果十分优异。

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。

共用直流母线开绕组永磁同步发电机系统及其零序电流抑制

与传统的三相星形绕组永磁同步发电机(PMSG)PWM整流系统相比,双PWM整流器控制的开绕组PMSG系统具有容错性高,拓扑结构灵活等特点。但当双整流器共用一个直流母线时,产生了一个零序电流通路,因此在采用空间电压矢量(SVPWM)控制时算法中存在的零序电压分量就会在通路中产生零序电流。对于永磁电机而言,电机反电势中的三次谐波分量也会产生一个相应的零序电流。因此,为了最大程度地减小电机绕组内的零序电流,本文提出采用零序电流调节器,可使电机相电流波形趋近正弦,整流后得到的直流母线电压稳定且纹波小。仿真和实验结果验证了该系统的有效性。

基于开绕组结构的永磁风力发电机控制策略

为了实现永磁风力发电机组大容量、高性能的运行需求,建立一种基于开绕组结构的永磁同步发电机和两个级联两电平变流器组成的风力发电系统。对该系统所采用的矢量控制、无位置传感器运行、空间矢量调制等技术进行了研究。通过建立开绕组永磁同步发电机的数学模型,得出基于转子磁场定向的矢量控制策略,进而结合基于反电势估算法的无位置传感器运行技术,研究了开绕组永磁同步发电机在两个机侧变流器下的目标矢量分配方法及对应的空间矢量调制策略。分析结果表明,所提出的开绕组永磁同步发电系统不仅降低了机侧变流器的容量,还起到了三电平的调制效果。实验结果验证了所提结构及控制策略的正确性和可行性。