永磁直驱风力发电系统设计与分析技术

1、主要内容主要内容n 永磁直驱风力发电机的特点n 电机设计技术n 永磁直驱风力发电机系统分析技术n 无传感器运行技术n 总结风力发电系统的组成风力发电系统的组成n 鼠笼式异步发电机n 绕线式异步发电机n 电励磁式同步发电机n 永磁同步发电机永磁直驱发电系统的特点永磁直驱发电系统的特点n 优点优点n 缺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永磁直驱发电机的设计n 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永磁直驱发电机的设计 n 必须考虑全功率变流器的设计环境

2、 拓扑结构 控制原理 控制算法n 永磁直驱风力发电系统的性能预测永磁发电机的结构永磁发电机的结构n 径向式内转子外转子永磁发电机的结构永磁发电机的结构n 轴向式双定子单定子全功率变流器的结构全功率变流器的结构n 对发电机输出电压无要求，风机工作范围宽n 系统结构简单，成本低n 电机功率因数较低，损耗大。全功率变流器的结构全功率变流器的结构n 电机电流正弦，损耗小n 电机功率因数高n 系统结构复杂，成本高永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 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。 n 磁场分析法可实现电机本体

3、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永磁直驱发电机的设计技术n 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、转速信号永磁同步电机矢量控制永磁直驱发电机的设计技术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直驱发电机的设计技术n 半实物仿真半实物仿真 半实物仿真技术是将实际系

4、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） 永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 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永磁直驱发电机的设计技术n 电机结构电机结构 永磁直驱发电机的设计

5、技术永磁直驱发电机的设计技术n 电机结构电机结构 永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 静态磁场分析静态磁场分析 磁力线分布 永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 静态磁场分析静态磁场分析 磁密分布 永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 静态磁场分析静态磁场分析 气隙磁密分布 永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 瞬态磁场分析瞬态磁场分析 反电势波形永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 瞬态磁场分析瞬态磁场分析 齿槽转矩波形永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 三维磁场分析三维磁场分析 永磁直驱发电机的设计技术

6、永磁直驱发电机的设计技术n 三维磁场分析三维磁场分析 气隙磁密分布 n 齿槽转矩分析齿槽转矩分析 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永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 齿槽转矩分析齿槽转矩分析 永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 齿槽转矩分析齿槽转矩分析 永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 齿槽转矩分析齿槽转矩分析 优化前 优化后 n 永磁体去磁分析永磁体去磁分析 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

7、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永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计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。 n 永磁体去磁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直驱发电机的设计技术n 永磁体去磁分析永磁体去磁分析 永磁直驱发电机的设计技术永磁直驱发电机的设计技术n 永磁体去磁分析永

8、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 n 场路耦合法分析场路耦合法分析发电机系统的分析技术发电机系统的分析技术n 场路耦合法分析场路耦合法分析发电机系统的分析技术发电机系统的分析技术电机反电势电机反电势母线电压母线电压n 场路耦合法分析场路耦合法分析发电机系统的分析技术发电机系统的分析技术电机线电流电机线电流系统发电电压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的分析技术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的分析技术n 双PWM变流器分析发电机系统的分析技术发电机系统的分析技术n 双PWM变流

9、器分析电机电流 转速 转矩 发电机系统的分析技术发电机系统的分析技术n 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无传感器运行技术n 必要性 增加了增加了系统的复杂性系统的复杂性 降低了系统的可靠性。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。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多极数、高精度码盘的技术难度无位置传感器控制技术无位置传感器控制技术 无传感器运行技术无传感器运行技术推广卡尔曼滤波器推广卡尔曼滤波器 (EKF)PMSM无无传传感感器器控控制制基于定子

10、端电压和电流估算基于定子端电压和电流估算基于观测器估算基于观测器估算模型参考自适应模型参考自适应 (MRAS) 辨识辨识基于人工智能估算基于人工智能估算 (神经网络神经网络)高频注入法高频注入法全阶全阶/降阶状态观测器降阶状态观测器滑模观测器滑模观测器低速时转子位置估算不准确，无法应用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，鲁棒性较差对电机参数变化敏感，鲁棒性较差多适用于中、高速运行多适用于中、高速运行实现简单，动态性能较好实现简单，动态性能较好无传感器运行技术无传感器运行技术动态性能较差，影响高速时电机的运行性能动态性能较差，影响高速时电机的运行性能注入高频激励信号注入高频激励

11、信号不受低速时信噪比的影响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利用电机的凸极效应对参数和干扰具有较强的鲁棒性对参数和干扰具有较强的鲁棒性无传感器运行技术无传感器运行技术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 无传感器运行技术无传感器运行技术rrqrrdssdsdsr qsdddrrqsfmqsrrsdqsr dsrqqqqL

12、dirviidtLLLdivrLiidtLLLL 定子电流的数学模型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无传感器运行技术无传感器运行技术令 fmsfmrrrrrrrrdsdsqsqsdsdsqsqsddriiiivvvvLL；1010qsrrrrddsdsdsddrrrdsqsqsqsrqqqLrLiivLLdLrdtiivLLL1010qsrrrrddsdsdsddrrrdsqsqsqsrqqqLrLii

13、vLLdLrdtiivLLLddtiAiBvddtiAiBv无传感器运行技术无传感器运行技术eii状态变量误差状态变量误差并联模型状态方程并联模型状态方程,ddteAeIw yDe采用比例积分自适应律采用比例积分自适应律 ipd0()()(0)tfmfmrrrrrrrrrrrrrdsqsqsdsqsqsdsqsqsdsqsqsrddk iiiiiidk iiiiiiLL无传感器运行技术无传感器运行技术无传感器运行技术无传感器运行技术 速度速度位置位置 位置误差位置误差无传感器运行技术无传感器运行技术 速度速度位置位置 位置误差位置误差 无传感器运行技术无传感器运行技术 1500r/min时，0

14、.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 无传感器运行技术无传感器运行技术 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 无传感器运行技术无传感器运行技术 1500r/min转子位置和转速的估计误差转子位置和转速的估计误差0.5ssrr2ssrr60r/min转子位置和转速的估计误差转子位置和转速的估计误差1.6ssrr0.5ssrr无传感器运行技术无传感器运行技术 速度速度位置位置 位置误差位置误差 o2.5电角度无传感器运行技术无传感器运行技术 速度速度位置位置 位置误差位置误差 o9电角度无传感器运行技术无传感器运行技术 转速和位置误差转速和位置误差 转速和定子电流转速和定子电流rdsi转速和