永磁直驱风力发电机设计

n 瞬态磁场分析
齿槽转矩波形
永磁直驱发电机的设计技术
n 三维磁场分析
永磁直驱发电机的设计技术
n 三维磁场分析
气隙磁密分布
永磁直驱发电机的设计技术
n 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
无位置传感器控制技术
无传感器运行技术
基于定子端电压和电流估算
P
基于观测器估算
M
S
全阶/降阶状态观测器
M
无
推广卡尔曼滤波器 (EKF)
传
感
滑模观测器
器
控
模型参考自适应 (MRAS) 辨识
制
高频注入法
基于人工智能估算 (神经网络)
无传感器运行技术
实现简单，动态性能较好 对电机参数变化敏感，鲁棒性较差 低速时转子位置估算不准确，无法应用
r
rs Lq
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1 Ld
0
0
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r
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Ai
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无传感器运行技术
状态变量误差 e i i
并联模型状态方程 d e Ae Iw, y De
dt
采用比例积分自适应律
r
t 0
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r
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fm Ld
基于模型参考自适应法结合的转子位置自检测方法可以有效地观测出 转子的位置和速度并实现无位置传感器运行，并且能够获得良好的动 态和静态性能。
总结
电机电磁场模型
系统电路模型
转矩、转速信号
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
永磁同步电机矢量控制
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
n 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。
n 缺点
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
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
n 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
n 永磁直驱风力发电系统的性能预测
永磁发电机的结构
n 径向式
计
误
差
rs 2rs
转
子
位
置 和
rs 0.5rs
转
速
的
估
计
误
差
rs 1.6rs
无传感器运行技术
2.5o电角度
速度
位置
位置误差
无传感器运行技术
9o电角度
速度
位置
位置误差
无传感器运行技术
转速和定子电流 idsr
转速和定子电流 iqsr
转速和位置误差
无传感器运行技术
突
突
加
卸
负
负
载
载
时
无传感器运行技术
永磁直驱发电机的设计技术
n 永磁体去磁分析
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。
永磁直驱发电机的设计技术
n 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
n 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
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无传感器运行技术
无传感器运行技术
速度
位置
位置误差
无传感器运行技术
速度
位置
位置误差
无传感器运行技术
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
多适用于中、高速运行
无传感器运行技术
利用电机的凸极效应 －对参数和干扰具有较强的鲁棒性
注入高频激励信号 －不受低速时信噪比的影响 动态性能较差，影响高速时电机的运行性能
适用于全速范围运行，特别适用于低速
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
ü 保证参数估计的渐进收敛，具有良好的动态性能 ü 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
永磁直驱发电机的设计技术
n 电机结构
永磁直驱发电机的设计技术
n 电机结构
永磁直驱发电机的设计技术
n 静态磁场分析
磁力线分布
永磁直驱发电机的设计技术
n 静态磁场分析
磁密分布
永磁直驱发电机的设计技术
n 静态磁场分析
气隙磁密分布
永磁直驱发电机的设计技术
n 瞬态磁场分析
反电势波形
永磁直驱发电机的设计技术
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(3-2)
无传感器运行技术
令
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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
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
n 优点
整个系统结构简单 安装和维护费用低 变速运行范围宽
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
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
60r/min 1500r/min
转
子
位
置 和
rs 0.5rs
转
速
的
估
无传感器运行技术
定子电流的数学模型
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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
d dt
ids
r
fm Ld
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
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
n 齿槽转矩分析
永磁直驱发电机的设计技术
n 齿槽转矩分析
永磁直驱发电机的设计技术
n 齿槽转矩分析
优化前
优化后
永磁直驱发电机的设计技术
n 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。
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
n 场路耦合法分析
发电机系统的分析技术
n 场路耦合法分析
电机反电势
母线电压
发电机系统的分析技术
n 场路耦合法分析
电机线电流
系统发电电压
Baidu Nhomakorabea
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
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。
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。
电压信号
内转子
外转子
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
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
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
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
发电机系统的分析技术
n 双PWM变流器分析
电机电流 转速
转矩
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
n 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