【摘要】：資源短缺與環(huán)境污染加劇是當(dāng)今人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的主要問題,大力發(fā)展包括風(fēng)能在內(nèi)的可再生能源是解決此問題的根本措施。多相永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),且易于實(shí)現(xiàn)低壓大功率傳動(dòng),特別適合于海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高可靠性、大功率容量的性能要求。本文將多相電機(jī)的概念和定子永磁型無刷電機(jī)相結(jié)合,提出了一種九相磁通切換型永磁(Nine-Phase Flux-Switching Permanent-Magnet,NPFSPM)風(fēng)力發(fā)電機(jī),研究?jī)?nèi)容涉及NPFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)的選取原則、設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化過程及其電磁特性分析。基于優(yōu)化的電機(jī)設(shè)計(jì)方案,制造了一臺(tái)九相10kW原理樣機(jī),并搭建了基于該樣機(jī)的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)電機(jī)本體性能及其發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制開展了實(shí)驗(yàn)研究。論文主要研究?jī)?nèi)容與成果:1.提出了一種九相磁通切換型永磁發(fā)電機(jī),在介紹其基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上,通過對(duì)九相繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波進(jìn)行分析,確定NPFSPM電機(jī)的繞組連接方式。通過對(duì)比研究分析不同齒槽配合對(duì)電機(jī)性能的影響,確定本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)齒槽配比。2.推導(dǎo)了NPFSPM電機(jī)的功率尺寸方程,并結(jié)合性能需求確定了電機(jī)初始設(shè)計(jì)參數(shù)。借助有限元仿真軟件,分別從提高電機(jī)功率密度與永磁體利用率的角度,對(duì)影響電機(jī)性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了單參數(shù)掃描,確定了參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間;進(jìn)一步,以減小定位力矩、減小損耗、增加電磁轉(zhuǎn)矩為目標(biāo),進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化,最終確定原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)。基于優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案制作了一臺(tái)額定功率為10 kW的NPFSPM原理樣機(jī)。3.采用二維有限元分析方法,對(duì)所提NPFSPM電機(jī)的磁場(chǎng)分布、氣隙磁密、空載永磁磁鏈、空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、繞組電感、定位力矩和加載時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩等靜態(tài)電磁特性進(jìn)行了分析;利用三維有限元分析方法研究了電機(jī)的端部效應(yīng),并利用端部漏磁系數(shù)修正了樣機(jī)的二維設(shè)計(jì)參數(shù);采用瞬態(tài)聯(lián)合仿真方法,對(duì)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)的內(nèi)功率因數(shù)角和電壓調(diào)整率等主要性能參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算,驗(yàn)證了基于所提設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性。4.針對(duì)斷路故障狀態(tài)下的NPFSPM電機(jī),分別提出了基于銅耗最小原則和最少控制變量原則的兩種容錯(cuò)控制策略,并采用拉格朗日乘數(shù)法有效求解了兩種方案下的最優(yōu)容錯(cuò)電流值,仿真結(jié)果驗(yàn)證了該NPFSPM具備斷路故障無擾運(yùn)行的容錯(cuò)能力。其次,針對(duì)短路故障提出并分析了包含36槽/34極(含容錯(cuò)齒結(jié)構(gòu))、36槽/34極單層繞組連接(包含兩種連接方式)、36槽/35極單層繞組連接等四種具有容錯(cuò)功能的NPFSPM電機(jī),進(jìn)一步分析這四種不同結(jié)構(gòu)的電機(jī)靜態(tài)特性,重點(diǎn)比較了短路電流的限制能力。5.從基本電磁定律出發(fā),結(jié)合NPFSPM電機(jī)運(yùn)行原理,分別建立了NPFSPM電機(jī)在九相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上結(jié)合有限元分析結(jié)果,利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái),搭建了NPFSPM電機(jī)本體仿真模型,仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性。進(jìn)一步搭建了以直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)、以所提NPFSPM電機(jī)為發(fā)電機(jī)的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型,仿真分析了該系統(tǒng)的運(yùn)行特性和最大風(fēng)能跟蹤控制方法。6.搭建了基于NPFSPM樣機(jī)的風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并建立了以dSPACE1005為核心的軟硬件結(jié)合、多層次保護(hù)的測(cè)控電路,對(duì)原理樣機(jī)本體進(jìn)行了空載和負(fù)載測(cè)試,驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)理論分析和有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性和有效性;以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤控制為目標(biāo),基于最佳轉(zhuǎn)矩反饋法,采用多維空間電壓矢量控制方法,實(shí)驗(yàn)研究了發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能,驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。
【圖文】：

也逐漸意識(shí)到大規(guī)模使用化石燃料所帶來的嚴(yán)重后果：資源日益枯竭，環(huán)境不誘發(fā)了不少國家、地區(qū)之間的政治經(jīng)濟(jì)糾紛，甚至沖突和戰(zhàn)爭(zhēng)。人類在深刻反思過去，嚴(yán)肅地提出了未來的發(fā)展模式——必須走可持續(xù)發(fā)展的道路！在 21 世紀(jì)，沒有任何持續(xù)發(fā)展”那樣能夠引起全人類的關(guān)注，因?yàn)檫@關(guān)系到人類文明的延續(xù)。毫無疑問，發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，可持續(xù)能源供應(yīng)的支持是必不可少的。因此，人類必須尋求一種清可靠的新的可持續(xù)能源系統(tǒng)[1]。持續(xù)能源亦即可再生能源，是指通過自然力的作用可以不斷循環(huán)再生的能源，主要包能、生物質(zhì)能、海洋能、潮汐能、地?zé)崮艿�。把可再生能源通過一定的技術(shù)手段從非能，并加以利用，這種技術(shù)就是可再生能源的發(fā)電技術(shù)。從某種意義上來講，這也是技術(shù)[2][3]。所有可再生能源利用技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)發(fā)展前景電對(duì)于改善能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保障能源安全和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展等方面的意義，，大力發(fā)展風(fēng)電這已經(jīng)成為世界上的共識(shí)[3]。圖 1-1 所示為 2007 年—2017 年全機(jī)容量，截止 2017 年底，全球風(fēng)電裝機(jī)容量由 2007 年的 94 GW 增長(zhǎng)到 539GW，僅新增裝機(jī)容量 52GW。其中，新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量 4.3GW，全球海上風(fēng)電總裝機(jī)容[4] [5]。

東南大學(xué)博士論文。圖 1-2 為 2017 年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量新增前十位的國家[5]，此外，前十位的裝機(jī)容量占全球量的 85%[5]，這一數(shù)據(jù)表明全球風(fēng)電裝機(jī)分布相對(duì)比較集中。在一些國家丹麥、尼加拉瓜、和西班牙等，通過風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電力已超過國家電力需求的 20%[5]。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM315

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2649687