永磁直驱风力发电系统设计与分析技术

©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱风力发电机设计与分析技术浙江大学年珩博士[e-mail]©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术主要内容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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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能预测©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁发电机的结构径向式内转子外转子©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁发电机的结构轴向式双定子单定子©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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。©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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。©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁同步电机矢量控制2R1R3R1C2CtorqueIRFP460HFA25TB60A_1A_2B_1B_2C_1C_21L3L2LFEA_PMSMMASS4R5R6RD1D2D3D4SourceiaibicS1永磁直驱发电机的设计技术©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁同步电机矢量控制5001500-1/(rmin)n(a)转速变化曲线0.40.30.20.10/st0.5(b)A相电流变化曲线0.40.30.20.10/st0.51000A/Ai3-3021-1-2(c)t=0.5s时定子磁场分布图(d)永磁体磁场分布图永磁直驱发电机的设计技术©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁同步电机矢量控制(a)参考转速与实际转速对比图4321/st4321(b)三相电流变化曲线(c)转矩变化曲线4321(d)相电压变化曲线10.80.40.200.60600-600-1/(rmin)n02.5-2.5/(Nm)emT2-2/Ai0/Vu200-2000参考转速实际转速/st/st/st永磁直驱发电机的设计技术©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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。仿真计算机(数学模型、程序及数据)半实物仿真平台(A/D、D/A转换)实物硬件(控制对象、执行机构等)半实物仿真结构图快速控制原型（RapidControlPrototype，简称RCP）硬件在环仿真（HardwareInLoop，简称HIL）永磁直驱发电机的设计技术©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术电机结构©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术电机结构©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术静态磁场分析磁力线分布©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术静态磁场分析磁密分布©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术静态磁场分析气隙磁密分布©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术瞬态磁场分析反电势波形©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术瞬态磁场分析齿槽转矩波形©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术三维磁场分析©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术三维磁场分析气隙磁密分布©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术齿槽转矩分析©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术齿槽转矩分析©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术永磁直驱发电机的设计技术齿槽转矩分析优化前优化后©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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技术©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术电机线电流(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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术场路耦合法分析发电机系统的分析技术©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术发电机系统的分析技术©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术发电机系统的分析技术©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术发电机系统的分析技术双PWM变流器分析©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术无传感器运行技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术无传感器运行技术推广卡尔曼滤波器(EKF)PMSM无传感器控制基于定子端电压和电流估算基于观测器估算模型参考自适应(MRAS)辨识基于人工智能估算(神经网络)高频注入法全阶/降阶状态观测器滑模观测器实现复杂、较难实用依赖基波激励模型低速时信噪比低、受电动机参数时变影响不适于低速、零速下应用依赖高频信号激励模型适于低速范围应用©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术高频信号注入法动态性能较差，影响高速时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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术模型参考自适应法（MRAS）－基于基波励磁的估算方法参考模型自适应机构可调模型控制器myruye--不含未知参数的方程含待估计参数的方程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©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术rrqrrdssdsdsrqsdddrrqsfmqsrrsdqsrdsrqqqqLdirviidtLLLdivrLiidtLLLL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10(3-2)10qsfmfmsfmrrrrdsdsdsdddddddrrrrqsqsqsqqqLrriivLLLdLLLLRdtiivLLL无传感器运行技术©浙江大学电气工程学院年珩副研究员永磁直驱风力发电机设计与分析技术令fmsfmrrrrrrrrdsdsqsqsdsdsqsqsddriiiivvvvLL；；；参考模型1010qsrrrrddsdsdsddrrrdsqsqsqsrqqqLrLiivLLdLrdtiivLLL并联可调模型1010qsrrrrddsdsdsddrrrdsqsqsqsrqqqLrLiivLLdLrdtiivLLLddtiAiBvddtiAiBv无传