永磁直驱风力发电系统设计与分析技术幻灯片.ppt

永磁直驱风力发电机设计与分析技术 浙江大学 年珩 博士 nianheng@zju.edu.cn 主要内容 风力发电系统的组成 永磁直驱发电系统的特点 永磁直驱发电机的设计 永磁直驱发电机的设计 永磁发电机的结构 永磁发电机的结构 全功率变流器的结构 全功率变流器的结构 电机设计目标 场路耦合法分析 场路耦合法分析 场路耦合法分析 双PWM变流器分析 双PWM变流器分析 双PWM变流器分析 必要性 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 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 母线电压 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 发电机系统的分析技术 发电机系统的分析技术 电机电流 转速 转矩 发电机系统的分析技术 电机线电压 输出功率 母线电压 无传感器运行技术 ● 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) 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 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 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 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转子位置和转速的估计误差 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 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 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 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 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 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 径向式 内转子 外转子 轴向式 双定子 单定子 对发电机输出电压无要求，风机工作范围宽