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天津科技大学外文资料翻译学院：电子信息与自动化专业：电气工程及其自动化学号：09023229姓名：付佳天津科技大学外文资料翻译1小型风力发电系统的设计摘要本文研究了在电磁优化设计的永磁(PM)发电机系统基础上设置最可能一致的直接激励风力涡轮机。首先，分析一个带着连续转换器的三相PM发电机的模型。而最优化的直接激励风力发电系统的设计模型是利用一种发展与改进过的遗传算法和一个用最小成本的发电材料而优化成的500KW的直接激励发电机。45点发电机系统是在每分钟10-30r的额定转速和100KW-10MW的额定功率范围内的最佳组合系统。而在发电机设计指标方面，最佳的效果是把它图形化。其次，它是根据最大风能捕获以及利用转子直径和额定风速的直驱风力涡轮机和发电机的最佳点发生器的设计原理而成的。每年能源的输出（AEO）通常可以利用威布尔分布函数表示。最后，它每一次最大AEO的成本是用作最佳优化风力发电系统在八年平均潜在站点与风速范围在3-10m/s各自的评估。这些结果的显示都为发电机系统的研究提供了最合适的设计方案。关键词简介风力涡轮机直接激励永磁发电机设计优化站点匹配一、文章介绍最具成本效益和可靠的大型风力能源转换系统正在成为主要风能技术的焦点。发展风能是为了与其他更传统的电能来源，如煤，天然气和核能发电等竞争。在过去的二十年里，各种各样的风力涡轮机和风力发电机不断的发展。根据驱动机构的建设，这些风力涡轮机的种类可以分为齿轮驱动和直接激励两种。与齿轮传动相比，直接激励由于简化驱动和由省略变速箱-[119]的可靠性、可用性的优势可能更具有吸引力。特别是，大多数机器是用于非常低维护的海上使用。另一方面，在各种各样的风力发电机和永磁发电机中，很多都有着较高的功率重量比、可靠性和工作效率的优点。此外，因为材料的性能点，使发电机比以前变得更有吸引力。在近些年，成本的点材料不断减少和改善。因此，这些优势和趋势可能会使直接驱动点风力发电机系统比风力涡轮机更具有吸引力，尤其是海上应用程序。目前，原弘公司和三棱公司正在使用这个理念，出售的最大容量已经上升到了2兆瓦。图12为一个网络连接方案的直接激励，图12(a)2是一个用直驱永磁同步发电机配置的风力涡轮机的发动机舱。天津科技大学外文资料翻译2(a）直流涡轮机的草图随着科技的快速发展和风能发电装机容量的不断增长，风能涡轮机发展的一种趋势就是以最大能量的输出和最低成本的投入，尤其是对海上风力发电。然而，能源生产风力涡轮机取决于许多因素，例如潜在站点的风气候，,轮毂高度、额定风速,风力涡轮机和发电机的切入和断路器的风速。此外，直接激励点发电机成本主要依赖选择的发电机直径。此外，大倍数的发电机直径能够减少必要的发电机长度和活跃的磁性材料成本，但却增加发电机结构成本，运输及安装的技术难题。一些已经存在的风力发电厂表明，风力发电厂已经完全失败或表现不佳，尤其是在一些因为安装的风力涡轮机系统和风场不匹配的发展中国家。因此，最优化风力发电系统的能源产量的提高和成本的降低需要进一步研究。尽管在一些地方已经研究出了比较合适的风力涡轮机，收集了商业风力涡轮机的数据，但是它们之间相互关系和经济性能是很难理解的。此外，经常使用容量因子而不考虑成本，来评估涡轮发电机站点的最优匹配是不合理的。此外，一些优化设计的风力发电机的不同功率水平是由于发电机设计指标的不同，而风力涡轮机和风力分布的特性已经很少被考虑到。因此，为了评估在转子速度、额定功率，不同组合下风力发电机的最佳站点匹配，直接激励的电磁优化是有必要的。并且，年度能源产出成本可以考虑选择最划算的永磁同步发电机系统为一个潜在站点。本文的贡献是调查了直流驱动风能系统的最匹配站点以及电磁优化和风能最大化捕获特性。在本文中，首先，提出了一个三相径向通量表面安装点发生器与一个连续的电力电子变换器的电磁设计模型。电磁设计优化，并开发了一种改进的遗传算法，证明了电磁设计的一个500千瓦的发电机系统直接激励点。接下来，45点的优化设计与各种发电机系统的额定功率和额定转速，得到了以图像相对照的电机设计指标，包括发电机系统成本、发电机的外直径、转矩密度和转矩成本。此外，根据最大风能捕捉的设计原理，直驱风力发电机的最佳点是由相应的转子直径和额定风速决定的。最后，通过使用性能AEOPC指数最大，最适宜的站点对每个年平均风速范围在3-10m/s的风速进行分析。天津科技大学外文资料翻译3二、PM发电机系统的设计优化尽管各种拓扑点的机器是可以用于直驱风力涡轮机的，但径向通量点发电机与表面安装磁铁似乎是一个更好的选择。对于低速而言，是由于直流激励大型风力发电机的结构简单和很强的可靠性。这篇文章，是研究了一个三相RFPM发电机和连续电力电子变换器。考虑到转子转速范围的一个中型或大型风力涡轮机是范围在10-30rpm的典型，直接传动PMSG系统与组合的五个额定转子速度从10到30rpm和九转的额定功率100kW至水平10MW的设计。在每个给定的额定转速和额定功率，直接激励与一个背靠背PMSG电源转换器是利用一种改进的遗传算法使发电机系统成本最低的优化设计。(一)RFPM机器的设计建模利用等效电路模型的分析方法计算机器参数是众所周知的。本节描述了用于有源器件尺寸部分的关键分析模型和用于确定等效电路参数的重要方程。(二)电力电子变换器建模在直驱风力涡轮机中，一个背靠背的PWM全电源转换器为了确保发电机电流和电网电流量是正弦而被用来作为发电机和电网定子之间的接口点。图3显示了一个连续的PWM功率变换器的电路扑拓。它是由一个发电机侧变流器、电网侧变换器和一个直流环节电容组成的。。（3）背靠背PWM全功率变流器对PMSG的主电路扑拓同时，表一给出了成本估计，可以通过使用全功率变流器，控制发生器系统的变速运行点，以便最大效率的操作风力涡轮机。天津科技大学外文资料翻译4表一(三)优化方法遗传算法(GA)属于群概率搜索方法,对全球最佳的多维搜索空间具有高概率的定位，是所有现有的最优的解决方案。遗传优化的想法是模仿自然进化，标准遗传算法可以通过以下步骤描述。(1)一个初始化的人口解决方案(2)评估每个人口的解决方案(3)创建新的配套的解决方案：运用突变和重组作为配偶的父母。(4)减少人口的数量来增大空间(5)评估新的解决方法，并且把他们嵌入新的群体中(6)如果可用的后代已经过期，即停止并返回最好的解决方案，否则进行下一步。该算法的目的是找到一个通过目标函数和约束条件所描述的环境中茁壮成长的种群的基因。这个方案是因为限制条件而添加一个处罚的目标函数f(X)。在ais比例参数，g(x)是约束函数，x是优化设计变量。在这项研究中,提出一种IGA)用来优化直接激励点发电机系统的改进的遗传算法，是一直开发并应用到设计优化的感应机器。在我们先前的工作电源变压器，在IGA的模型,每个字符串(染色体)所表达的真实数字代码选择的优化设计变量,随机交叉方法包含了算术交叉技术和均匀交叉方案，增加开发解空间和加速收敛的最优化。(四)设计优化实验为了证明电磁设计和优化模型,已经选择用500千瓦的发电机系统直接激励点和一个额定转速32rpm。表2显示了详细的对比和数值优化。从表2中也可以显示优化结果，6中可以看出对于发电机尺寸和性能中存在建模损耗和建模成本参数1、主要性能常数2、峰的牙齿通量密度Bt0(T)3、剩余磁通密度点建模损耗1、磁滞损耗为1.5T和50赫兹pFe0h(w/公斤)2、涡流损耗为1.5T和50赫兹pFe0e(w/公斤)成本建模1、叠层铁的具体成本2、铜催化裂化装置的具体成本天津科技大学外文资料翻译5良好的协议。还有一个通过利用ICG获得的较低的总活性物质重量。（6）定子外径的三维表示（五）发电机设计指标的比较45点发电机优化结果与给出了不同的三维图形格式的额定转速和额定功率水平的对比，包括发电机系统成本,用于比较的标准是设计指标机器定子外直径、转矩密度和转矩/成本，图5是在发电机系统的标准成本和定子外径为优化的PM发电机系统的情况下的三维描绘。结果表明发电机系统的成本在额定功率下变高。图7和图8是在转矩密度(转矩/活跃的重量)和转矩/成本优化PM发电机系统条件下的三维描述。可以看到，对于相同的额定功率,在不同的额定转速的条件下转矩密度几乎是类似的。因为它在一定的速度范围内选择旋转速度是不受支配的。此外,也包括随着额定功率增加的转矩/重量和转矩/成本。现代直驱风力发电机的额定功率越来越大，这也是一个原因。从扭矩/成本的观点来看，较低额定转速的风力发电机可能越来越合适。然而,发电机系统的成本是不可避免的会更贵,而外直径也会变大。因此,有必要进一步考虑风的气候选择合适的直接激励点发电机系统。天津科技大学外文资料翻译6图5优化系统成本的三维表示图7转矩密度的三维表示图8扭矩/成本的三维表示（六）最优化发电机的站点匹配因为典型的风电场所需的最低风速为在10米风速计高度上，约为2.54m/s的速度。在10米高度上的年平均风速范围在3-10m/s的八个不同的站点是用来确定合适的发电机系统。世界各地的大多数的风电场,年平均风速范围在5-8m/s，而分别在低和高转速区域内,风速范围分别为3-4米/秒和9-10m/s。根据参考文献中提供的主要的风力数据，调查八个潜力站点的风分布参数，可以用威布尔统计模型进行估计,表三已经给明。对于每个有潜力的网站,AEO计算出45优化PM发电机系统,因此AEO性能指标天津科技大学外文资料翻译7的成本用来比较发电机系统调查成本。在一个给定的额定功率，对于每个潜在风场的最大AEOPC是可得的,如表4所示。图9是根据表4的结果而获得的三维图.表三10米高潜在站点的风能分布参数表四每个给定额定功率的站点的最大AEOPC风速的分类站点年平均风速形状参数K比例参数C低等131.523.33241.954.92中等351.965.644626.78572.17.91682.159.05高等792.311.358102.412.97平均100KW500KW1MW1.5MW3MW5W7.5MW8.5MW10MW风速39.8911.2111.2910.9710.078.557.657.176.74415.5518.3717.7617.9416.9913.3413.3412.5611.86519.8425.0724.5324.3624.3621.9720.719.7218.91624.3030.5430.8230.1830.0928.1427.2426.1725.36727.9136.5436.9036.7834.8333.1432.6331.5330.78830.4342.3442.3742.5239.3637.6336.9736.6635.51932.1646.4746.4846.6943.2642.0740.6640.4739.381033.3449.6250.1950.2646.3345.5843.2243.1342.1天津科技大学外文资料翻译8图9AEOPC的三维模型三、总结为了调查大型直接传动风力涡轮机的性能和就AEOPC而言的潜在的站点，由一个500千瓦风力发电机直接激励点演化成的最优化的使用遗传算法的径向流量发生器的设计模型已经变得非常先进,并证明了用额定功率在100KW-10MW范围内，额定转速在10-3/pm范围内的45点发电机，已经为发电机系统的最低成本。最优结果已经通过使用包括发电机系统成本的发电机设计指标、定子外直径、转矩密度和转矩成本来得出了对比和结论。结果显示有着较低的额定转速和更高的额定功率水平的发电机比转矩密度和转矩/成本的发电机有着更好的性能。然而,这些发电机也变得更昂贵和需要更大的外直径。除此之外,基于最大风能捕获设计原理的的风力涡轮机和最优化的发电机，现在最匹配的为八个潜在风站点的直驱风力发电机已经在发明。根据AEOPC的性能,额定功率为500千瓦,1MW和1.5MW直接激励点的发电机系统，可能更适合分别匹配低、中、高的年平均风速的潜在站点。从能量捕获和成本的效益来看，通过考