直驱多相高压永磁同步风力发电机优化设计模型的研究

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料，提高槽利用率，降低电机质量。但是也要注意 到此时的槽绝缘以及线圈的对地绝缘需要有足够 的耐压等级，为 20kV，这是其主要特点之一，设 计时应注意。 （1）多相高压永磁同步风力发电机的定子绕组排 列方式
下面以六相高压永磁同步风力发电机为例来 说明定子绕组的排列方式，以及如何选择合适的计
算极弧系数α i 来消除 3 次感应电势谐波。假设六
提 高 电 压 等 级 的 方 法 ， ABB 公 司 的 “Windformer”技术，将定子绕组漆包线换成高压 电缆，以此来提高绝缘等级。这样做确实方便的提 高了电压等级，但是会大大降低槽利用率，使电机 体积增大。为了提高电压我们采用多相永磁同步发 电机，通过多整流器串联来提高直流母线电压。例 如定子绕组采用九相绕组，每三相绕组为一组，对 其进行三相整流，然后将三组直流电压串联来提高 电压。如图 1-1 所示。
直驱多相高压永磁同步风力发电机优化设计模型的研究
Research on Optimal Design Model of Direct-drive Multiphase HV PMSG for 电气工程学院 710049，Fangluguang.1984@）
速进行了优化，定性的得到了系统发电量与成本之 比最优时的转速。为了减小电力电子变流器、直流 母线损耗，省掉并网时的升压变压器，需要提高直 流 母 线 电 压 。 文 献 [2] 介 绍 了 ABB 公 司 的 ‘windformer’技术，采用高压电缆代替常用的矩 形漆包线。 本文提出直驱多相高压永磁同步风力发电机的原 因:一是低速电机出口频率低，造成二极管整流器 整流电压的较大的波动，为了提高整流器的电压平 稳，常常采用多脉整流方案，这种方案需要移相变 压器，体积庞大，成本高昂。采用多相发电机可以 去掉移相变压器。二是常规三相电机无法实现变流 器的串联，需要变压器，提供隔离电源。多相永磁 同步发电机可以方便实现电力电子变流器的串联 多重化，举高电压，提高效率，实现无升压变压器 的技术方案。多相高压永磁同步发电机与传统高压 电机以及 ABB 公司新推出的“windformer”高压电
机最大的区别是：其提高电压的方式不是在电机内 部串联更多的匝数，而是运用电力电子变流器的串 连多重化技术将多相绕组串联升压。这样做可以减 小匝间绝缘，提高定子槽利用率减小体积和质量， 具有明显的成本的优势。本文对多相电机与三相电 机进行了比较，发现多相电机电压调整率低、效率 高、体积和质量有所降低。为了能够尽可能的降低 发电机成本，本文以成本和费效比为目标函数，对 转子结构、额定转速、频率、主要尺寸比的最优设 计进行了讨论，并且给出 3kVA 六相电机不同转子 结构、不同频率、不同主要尺寸比时的设计参数。
相高压永磁同步发电机每极每相槽数 q=1，则其绕 组排列方式如表 1-1 所示。其中 A x、B y、C z 与 D u、E m、F n 均为相位差为 120º 电角度的两套绕 组，且这两套绕组相差 30º 电角度。两套绕组均采 用 Y 型连接，且两套绕组中性点也连接在了一起。 其电势星形图如图 1-2 所示。
波感应电势为：EA = Em cos(3ωt) ，D u 相线圈中
的三次谐波感应电势为：
ED = Em cos(3ωt − 900 ) 。以上两式中 Em 为相绕 组感应电势幅值，ω 为电角速度。由以上两式可以
看出各相绕组中性点的 3 次谐波感应电势并不相
等，所以存在 3 次谐波电流通路。计算极弧系数α i
Abstract: The multiphase direct-drive PMSG is promising when being applied in large wind turbine system (MW). It offers several isolated power supplies for full-size converters. It’s convenient to combine the basic converters together by series- or parallel-connection flexibly. Such a combination will improve efficiency of the converters. And it is a kind of basic technology to realize transformerless wind power conversion system used for offshore wind power plant. The paper proposes a novel structure of the direct-drive multi-phase HV PMSG that generates high voltage by power electronic converters. As a result, the in-turn insulation requirement of the generator decreases and the availability of the stator slot increases, that contributes to reduce the bulk and mass of the generator compare with traditional HV three-phase PMSG. The paper mainly studies optimal design of such a novel generator and presents an optimization model. The objective function of the model is ratio of cost to energy out (CPEO). CPEO=C/(Sn×η), in which C is cost, Sn generator capacity, η efficiency. The comparison is carried out respectively to search the optimal design of the generator rotor speed, frequency and the ratio of axial length to air gap diameter. The study presents a theoretical guidance for the optimal design of large direct-drive multiphase PMSG.
（2）计算极弧系数α i 的选择
对于传统的三相永磁同步发电机，当其定子绕
组 Y 连接时，3 次感应电势谐波及 3 的整数倍感应 电势谐波可以忽略，因为在三线制电路中没有 3 次 谐波电流的流通路径。但是对于多相永磁发电机， 其定子绕组 Y 连接时存在 3 次谐波电流的流通路 径，例如：对于六相电机定子绕组 Y 连接时，设 其绕组分布如表 1-1 所述，A x 相线圈中的 3 次谐
关键词：直驱风力发电机；高压永磁发电机；多相永磁发电机；优化设计 Keywords: direct-drive generator for wind turbine, high voltage permanent magnet generator, multiphase generator, optimal design
3.849 = 20 /(3× 3) kV，所以匝间绝缘要求并不
高，相对于高压电缆绕成的绕组会节省很多绝缘材
u
m
C
y
F
图 1-2 六相永磁同步发电机相电势星形图
值得注意的是，通常为了削弱电势齿谐波，改
善电势波形，减小启动转矩，每极每相槽数 q 一般
为分数。这里为了简要说明六相永磁发电机的绕组 分布而取 q=1。
0引 言
风能是无污染、可再生能源之一，具有广阔的 应用前景，但与传统的火电、水电相比其发电成本 还较高，因此采用各种新技术降低风力发电成本， 提高风力发电系统效率是各国争相研究的课题之 一。风电成本高的主要原因：一是风力发电系统运 行和维护费用较高，二是发电机的生产制造成本较 高，三是传统的风力发电机出口电压较低、电流大、 损耗高。风力发电机采用直驱结构，省去了齿轮箱， 以及风轮机制造技术的改进，新材料的应用，寿命 的延长，这些都使风力发电系统的维护费用大大降 低。为了降低发电机成本，文献[1]以电机总质量 为目标函数对 2、3、5MW 径向永磁发电机的主要尺 寸比进行了优化，得出了电机质量最优时的主要尺 寸比。文献[4]以直驱永磁风力发电系统年发电量 和单位成本年发电量为目标函数对发电机额定转
摘 要：直驱多相（或多绕组）永磁同步发电机在大功率（WM 级）风电系统中具有很好的应用前景，它提供多个隔离电源 用于全功率变流器的串并联混合设计，可以显著提高变流器的效率。它还可以通过连接级联式高压变流器实现无升压变压器的 技术方案，用于海上风力发电系统。本文提出了一种新型直驱多相高压永磁同步风力发电机的结构，这种发电机通过定子侧串 联的电力电子变流器来实现高压输出，因此具有较低的匝间绝缘，这可以提高定子槽的利用率，从而大大减小传统三相高压电 机的体积和质量。本文主要研究了这种直驱多相永磁同步发电机的优化设计方法，并提出了一种优化设计模型。该优化模型以 成本和费效比 CPEO=C/(Sn×η)为目标函数（C 为成本，Sn 为发电机容量，η为效率），通过比较的方法来对新型直驱多相高压 永磁同步风力发电机的转速 nN、频率 f 和主要尺寸比 Krad 进行最优设计。通过对优化设计模型的研究，为大功率直驱多相高压 永磁同步风力发电机的优化设计提供理论依据。
1 直驱多相高压永磁同步风力发电机 的设计特点研究
众所周知，风力发电机电压等级的提高会给整 个发电系统带来许多好处，例如：对于近海大功率 风力发电系统，较高的电压等级可以降低直流母线 传输损耗，可以省掉到并网变压器；在输出功率一 定的条件下，较高的电压等级可以有效地降低电流 值，从而降低变换器损耗，减小滤波器尺寸。