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1、永磁直驱风力发电机设计与分析技术,浙江大学 年珩 博士,主要内容,永磁直驱风力发电机的特点 电机设计技术 永磁直驱风力发电机系统分析技术 无传感器运行技术 总结,风力发电系统的组成,鼠笼式异步发电机 绕线式异步发电机 电励磁式同步发电机 永磁同步发电机,永磁直驱发电系统的特点,优点,缺点,整个系统结构简单安装和维护费用低变速运行范围宽,电机体积大，制造成本高全功率变流器，投资大,永磁直驱发电机的设计,风力发电机设计规律不同于普通低速永磁电机 电机结构 饱和 齿槽效应 端部效应 磁极形状,永磁直驱发电机的设计,必须考虑全功率变流器的设计环境 拓扑结构 控制原理 控制算法 永磁直驱风力发电系统的性
2、能预测,永磁发电机的结构,径向式,内转子,外转子,永磁发电机的结构,轴向式,双定子,单定子,全功率变流器的结构,对发电机输出电压无要求，风机工作范围宽 系统结构简单，成本低 电机功率因数较低，损耗大。,全功率变流器的结构,电机电流正弦，损耗小 电机功率因数高 系统结构复杂，成本高,永磁直驱发电机的设计技术,电路仿真法,可实现控制原理和控制算法的精确建模，但对由于电机本身固有特性如饱和、齿槽效应、端部效应等难以准确模拟。,磁场分析法,可实现电机本体性能的精确分析，但无法实现永磁同步电机在不同控制策略下的系统性能分析。,永磁直驱发电机的设计技术,场路耦合法,通过将永磁电机电磁场分析方程和驱动系统所
3、满足的控制算法联立并采用时步法求解对电机及其控制系统进行模拟分析，为深入研究电机系统的相互耦合以及优化运行提供有利的工具。,电机电磁场模型,系统电路模型,电压信号,转矩、转速信号,永磁同步电机矢量控制,永磁直驱发电机的设计技术,永磁同步电机矢量控制,永磁直驱发电机的设计技术,永磁同步电机矢量控制,永磁直驱发电机的设计技术,半实物仿真,半实物仿真技术是将实际系统的一部分用数学模型加以描述，并转变为仿真模型在计算机上运行，将系统的另一部分以实物形式引入仿真回路。,快速控制原型（Rapid Control Prototype，简称RCP）,硬件在环仿真（Hardware In Loop，简称HIL）
4、,永磁直驱发电机的设计技术,永磁直驱发电机的设计技术,电机设计目标,额定功率：1500kW额定电压：660V极数：160额定频率：30Hz额定电流：1394.25A效率：95.9转速：22.5rpm额定扭矩：636667Nm,永磁直驱发电机的设计技术,电机结构,永磁直驱发电机的设计技术,电机结构,永磁直驱发电机的设计技术,静态磁场分析,磁力线分布,永磁直驱发电机的设计技术,静态磁场分析,磁密分布,永磁直驱发电机的设计技术,静态磁场分析,气隙磁密分布,永磁直驱发电机的设计技术,瞬态磁场分析,反电势波形,永磁直驱发电机的设计技术,瞬态磁场分析,齿槽转矩波形,永磁直驱发电机的设计技术,三维磁场分析,
5、永磁直驱发电机的设计技术,三维磁场分析,气隙磁密分布,齿槽转矩分析,振动和噪声 影响控制精度 影响切入转速,消除方法,斜槽 斜极 增大气隙 极弧系数优化,永磁直驱发电机的设计技术,永磁直驱发电机的设计技术,齿槽转矩分析,永磁直驱发电机的设计技术,齿槽转矩分析,永磁直驱发电机的设计技术,齿槽转矩分析,优化前,优化后,永磁体去磁分析,永磁同步发电机工作时最应避免的是电枢电流磁场的不可逆去磁效应，额定负载时有磁钢有一定的去磁，但该去磁是可逆的，当电枢磁场反向时，仍可回复到原来的工作点。但是当电枢电流过大时，例如三相短路时，能产生很强的去磁效应，这时要考虑磁钢是否产生不可逆去磁。,永磁直驱发电机的设计
6、技术,永磁直驱发电机的设计技术,分析目标：分析永磁体在额定负载和6相短路时去磁情况，此工况下绕组磁场全部用于退磁，即这是最恶劣的运行条件下电机去磁性能分析。,永磁体去磁分析,电机线电流(最大电流倍数2.7),永磁直驱发电机的设计技术,永磁体去磁分析,永磁直驱发电机的设计技术,永磁体去磁分析,电机在额定负载时永磁体沿径向磁密分布,电机在6相短路（2.7倍过载）时永磁体沿径向磁密分布,场路耦合法分析,发电机系统的分析技术,场路耦合法分析,发电机系统的分析技术,电机反电势,母线电压,场路耦合法分析,发电机系统的分析技术,电机线电流,系统发电电压,发电机系统的分析技术,发电机系统的分析技术,发电机系统
7、的分析技术,双PWM变流器分析,发电机系统的分析技术,双PWM变流器分析,电机电流,转速,转矩,发电机系统的分析技术,双PWM变流器分析,电机线电压,输出功率,母线电压,无传感器运行技术,必要性,增加了系统的复杂性,降低了系统的可靠性。,在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作精度易受环境条件的影响。,多极数、高精度码盘的技术难度,无位置传感器控制技术,无传感器运行技术,推广卡尔曼滤波器(EKF),基于基波激励的方法,低速时转子位置估算不准确，无法应用,对电机参数变化敏感，鲁棒性较差,多适用于中、高速运行,实现简单，动态性能较好,无传感器运行技术,高频信号注入法,动态性能较差，影响高速时
8、电机的运行性能,注入高频激励信号不受低速时信噪比的影响,适用于全速范围运行，特别适用于低速,利用电机的凸极效应对参数和干扰具有较强的鲁棒性,无传感器运行技术,模型参考自适应法（MRAS）基于基波励磁的估算方法,保证参数估计的渐进收敛，具有良好的动态性能 对电机参数的变化比较敏感；低速时转子速度和位置无法精确估计,无传感器运行技术,定子电流的数学模型,电机本体作为参考模型电流模型作为可调模型采用并联型结构辨识转速,无传感器运行技术,令,参考模型,并联可调模型,无传感器运行技术,状态变量误差,并联模型状态方程,采用比例积分自适应律,模型参考自适应转速辨识算法,无传感器运行技术,采用模型参考自适应法
9、的无传感器矢量控制系统,无传感器运行技术,50Hz频率时稳态仿真结果,速度,位置,位置误差,无传感器运行技术,1Hz时的稳态仿真结果,速度,位置,位置误差,无传感器运行技术,动态仿真结果,1500r/min时，0.5秒突加额定负载和1.3突卸额定负载的仿真波形,60r/min时，1.0秒突加额定负载和2.0突卸额定负载的仿真波形,无传感器运行技术,转速突变时的动态仿真结果,0.5秒时转速指令从60r/min跃升到1500r/min和2.5秒时从1500r/min跃降到60r/min时的仿真波形,无传感器运行技术,电阻参数突变时仿真结果,1500r/min转子位置和转速的估计误差,60r/min
10、转子位置和转速的估计误差,无传感器运行技术,50Hz时的实验结果,速度,位置,位置误差,无传感器运行技术,4.6Hz时的实验结果,速度,位置,位置误差,无传感器运行技术,从零速起动到1500r/min的实验波形,转速和位置误差,转速和定子电流,转速和定子电流,无传感器运行技术,50Hz时的动态仿真结果,突加负载时,突卸负载,无传感器运行技术,电机在额定负载下起动至额定转速1500r/min时的实验结果,基于模型参考自适应法结合的转子位置自检测方法可以有效地观测出转子的位置和速度并实现无位置传感器运行，并且能够获得良好的动态和静态性能。,无传感器运行技术,总 结,1，现代永磁直驱风力发电机系统是基于电力电子装置和永磁同步电机的复合系统，这种特殊的运行环境决定了其不同于常规低速永磁同步电机的设计规律，需要采用场路结合的设计技术。,2，鉴于我国风力发电技术落后的现状，缺乏足够的工程设计经验和数据，为减少样机试制成本和周期，必须进行永磁直驱风力发电机系统的性能预测，其中关键技术是：构造精确的电机电磁模型，考虑全功率变流器对电机性能的影响。,3，考虑到风电机组恶劣工作环境和风力机扭振对转子位置/速度检测的影响，为提高运行可靠性，可以采用基于模型参考自适应法的无传感器运行控制技术，实现永磁直驱风力发电系统的的无传感器运行。,Q/A？,谢 谢！,
