發(fā)布時間：2020-05-05 06:29

【摘要】：資源短缺與環(huán)境污染加劇是當今人類社會可持續(xù)發(fā)展面臨的主要問題,大力發(fā)展包括風(fēng)能在內(nèi)的可再生能源是解決此問題的根本措施。多相永磁電機具有轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、轉(zhuǎn)矩脈動小、容錯能力強等優(yōu)點,且易于實現(xiàn)低壓大功率傳動,特別適合于海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高可靠性、大功率容量的性能要求。本文將多相電機的概念和定子永磁型無刷電機相結(jié)合,提出了一種九相磁通切換型永磁(Nine-Phase Flux-Switching Permanent-Magnet,NPFSPM)風(fēng)力發(fā)電機,研究內(nèi)容涉及NPFSPM電機結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)的選取原則、設(shè)計方法、優(yōu)化過程及其電磁特性分析。基于優(yōu)化的電機設(shè)計方案,制造了一臺九相10kW原理樣機,并搭建了基于該樣機的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電模擬實驗平臺,對電機本體性能及其發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制開展了實驗研究。論文主要研究內(nèi)容與成果:1.提出了一種九相磁通切換型永磁發(fā)電機,在介紹其基本結(jié)構(gòu)和運行原理的基礎(chǔ)上,通過對九相繞組磁動勢諧波進行分析,確定NPFSPM電機的繞組連接方式。通過對比研究分析不同齒槽配合對電機性能的影響,確定本文所設(shè)計的電機齒槽配比。2.推導(dǎo)了NPFSPM電機的功率尺寸方程,并結(jié)合性能需求確定了電機初始設(shè)計參數(shù)。借助有限元仿真軟件,分別從提高電機功率密度與永磁體利用率的角度,對影響電機性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了單參數(shù)掃描,確定了參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間;進一步,以減小定位力矩、減小損耗、增加電磁轉(zhuǎn)矩為目標,進行了多目標優(yōu)化,最終確定原理樣機的設(shè)計參數(shù)�；�于優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案制作了一臺額定功率為10 kW的NPFSPM原理樣機。3.采用二維有限元分析方法,對所提NPFSPM電機的磁場分布、氣隙磁密、空載永磁磁鏈、空載感應(yīng)電動勢、繞組電感、定位力矩和加載時的電磁轉(zhuǎn)矩等靜態(tài)電磁特性進行了分析;利用三維有限元分析方法研究了電機的端部效應(yīng),并利用端部漏磁系數(shù)修正了樣機的二維設(shè)計參數(shù);采用瞬態(tài)聯(lián)合仿真方法,對電機發(fā)電運行時的內(nèi)功率因數(shù)角和電壓調(diào)整率等主要性能參數(shù)進行了分析計算,驗證了基于所提設(shè)計方法的可行性和有效性。4.針對斷路故障狀態(tài)下的NPFSPM電機,分別提出了基于銅耗最小原則和最少控制變量原則的兩種容錯控制策略,并采用拉格朗日乘數(shù)法有效求解了兩種方案下的最優(yōu)容錯電流值,仿真結(jié)果驗證了該NPFSPM具備斷路故障無擾運行的容錯能力。其次,針對短路故障提出并分析了包含36槽/34極(含容錯齒結(jié)構(gòu))、36槽/34極單層繞組連接(包含兩種連接方式)、36槽/35極單層繞組連接等四種具有容錯功能的NPFSPM電機,進一步分析這四種不同結(jié)構(gòu)的電機靜態(tài)特性,重點比較了短路電流的限制能力。5.從基本電磁定律出發(fā),結(jié)合NPFSPM電機運行原理,分別建立了NPFSPM電機在九相靜止坐標系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上結(jié)合有限元分析結(jié)果,利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺,搭建了NPFSPM電機本體仿真模型,仿真結(jié)果驗證了模型的正確性。進一步搭建了以直流電機模擬風(fēng)力機、以所提NPFSPM電機為發(fā)電機的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型,仿真分析了該系統(tǒng)的運行特性和最大風(fēng)能跟蹤控制方法。6.搭建了基于NPFSPM樣機的風(fēng)力發(fā)電模擬實驗平臺,并建立了以dSPACE1005為核心的軟硬件結(jié)合、多層次保護的測控電路,對原理樣機本體進行了空載和負載測試,驗證了電機設(shè)計理論分析和有限元計算的準確性和有效性;以實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤控制為目標,基于最佳轉(zhuǎn)矩反饋法,采用多維空間電壓矢量控制方法,實驗研究了發(fā)電系統(tǒng)的動穩(wěn)態(tài)性能,驗證了所提控制策略的有效性。
【圖文】：

也逐漸意識到大規(guī)模使用化石燃料所帶來的嚴重后果：資源日益枯竭，環(huán)境不誘發(fā)了不少國家、地區(qū)之間的政治經(jīng)濟糾紛，甚至沖突和戰(zhàn)爭。人類在深刻反思過去，嚴肅地提出了未來的發(fā)展模式——必須走可持續(xù)發(fā)展的道路！在 21 世紀，沒有任何持續(xù)發(fā)展”那樣能夠引起全人類的關(guān)注，因為這關(guān)系到人類文明的延續(xù)。毫無疑問，發(fā)展的戰(zhàn)略目標，可持續(xù)能源供應(yīng)的支持是必不可少的。因此，人類必須尋求一種清可靠的新的可持續(xù)能源系統(tǒng)[1]。持續(xù)能源亦即可再生能源，是指通過自然力的作用可以不斷循環(huán)再生的能源，主要包能、生物質(zhì)能、海洋能、潮汐能、地?zé)崮艿�。把可再生能源通過一定的技術(shù)手段從非能，并加以利用，這種技術(shù)就是可再生能源的發(fā)電技術(shù)。從某種意義上來講，這也是技術(shù)[2][3]。所有可再生能源利用技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)發(fā)展前景電對于改善能源結(jié)構(gòu)、保護生態(tài)環(huán)境、保障能源安全和實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展等方面的意義，，大力發(fā)展風(fēng)電這已經(jīng)成為世界上的共識[3]。圖 1-1 所示為 2007 年—2017 年全機容量，截止 2017 年底，全球風(fēng)電裝機容量由 2007 年的 94 GW 增長到 539GW，僅新增裝機容量 52GW。其中，新增海上風(fēng)電裝機容量 4.3GW，全球海上風(fēng)電總裝機容[4] [5]。

東南大學(xué)博士論文。圖 1-2 為 2017 年風(fēng)力發(fā)電裝機容量新增前十位的國家[5]，此外，前十位的裝機容量占全球量的 85%[5]，這一數(shù)據(jù)表明全球風(fēng)電裝機分布相對比較集中。在一些國家丹麥、尼加拉瓜、和西班牙等，通過風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電力已超過國家電力需求的 20%[5]。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM315

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2649687