永磁直驅風力發(fā)電機的電磁設計與分析

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1、華中科技大學碩士學位論文1緒論1.1研究背景及意義近年來，空氣污染問題在我國日趨顯現(xiàn)。我國“十二五”政府工作報告中再次強調了要扎實推進節(jié)能減排和環(huán)境保護。然而，2010年我國二氧化硫、氮氧化物排放總量都超過2200萬噸，位居世界第一，工業(yè)煙粉塵排放量為1446.1萬噸，均遠超出環(huán)境承載能力。長期以來，我國的電能來源主要依靠燃煤的火力發(fā)電機組，截至2012年，我國的火電裝機容量占總裝機容量的比例仍在70%以上。煤的燃燒產(chǎn)物中含有大量的硫、氮氧化物，對溫室效應及城市空氣產(chǎn)生非常不利的影響。利用清潔可再生的風能發(fā)電是解決電能生產(chǎn)過程中污染問題的可行方案之一，有著長遠的經(jīng)濟利益和能源戰(zhàn)略意義，

2、是近些年的研究熱點。全球風力發(fā)電機裝機容量增長迅速，截至2013年底，已有約24個國家的風力發(fā)電機裝機容量超過1GW。我國的風電裝機容量近些年也穩(wěn)步上升，隨著2013年西藏龍源那曲超高海拔實驗風[1]電場的建成投產(chǎn)，我國風電場的建設已遍布全國各個省市自治區(qū)。電機作為風力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，承擔了將風能轉化成電能的重要任務，電機電磁性能的優(yōu)劣直接影響到風力發(fā)電系統(tǒng)的性能。通過對電機的電磁性能進行設計與分析，可以在一定程度上減小電機的體積與重量，節(jié)約生產(chǎn)安裝及維護費用，同時能夠增加系統(tǒng)的效率及運行可靠性。另外，不同風力發(fā)電系統(tǒng)對電機輸出性能要求的區(qū)別，不同生產(chǎn)廠商生產(chǎn)及安裝能力的差異，

3、使風力發(fā)電機電磁方案設計與分析的需求與日俱增。目前，不同功率等級的風力發(fā)電機的設計與分析依然是我國相關高校及研究單位的研究熱點之一。通過與相關生產(chǎn)廠商的合作，逐步將自主研發(fā)的風力發(fā)電機推入市場，為千家萬戶提供更加清潔的電力能源。1華中科技大學碩士學位論文1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1風力發(fā)電系統(tǒng)的分類及研究現(xiàn)狀上個世紀90年代以來，風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展迅速。典型的風力發(fā)電系統(tǒng)大體可分為以下三類：帶多極變速箱的恒速鼠籠型感應發(fā)電機系統(tǒng)，帶多極變速箱的變速雙饋感應發(fā)電機系統(tǒng)，以及無變速箱的變速同步發(fā)電機系統(tǒng)，最后一種又稱為直驅[2]發(fā)電機系統(tǒng)。直驅風力發(fā)電機根據(jù)勵磁方式的不同又可分為永磁直驅風

4、力發(fā)電機、電勵磁直驅風力發(fā)電機、超導風力發(fā)電機等。由于恒速鼠籠型感應發(fā)電機系統(tǒng)不能根據(jù)風力的大小改變轉速以獲得較大的風能利用率，因而不適合大規(guī)模并網(wǎng)風力發(fā)電。目前，市場上應用較為廣泛、比較有發(fā)展前景的主要是永磁直驅風力發(fā)電機和[3]雙饋異步風力發(fā)電機。雙饋感應電機的轉子繞組經(jīng)變頻器與電網(wǎng)相連，在實現(xiàn)轉差功率的雙向流動的同時也使得發(fā)電機與電網(wǎng)保持同步運行。雙饋感應電機的主要優(yōu)點是繞線式轉子成本相對較低，變頻器容量僅需滿足轉差功率的容量的要求，一般為額定容量的30%左右。其主要缺點是變速齒輪箱和滑環(huán)等機械結構長期運行需要經(jīng)常維護，降低了運行可靠性，且電網(wǎng)故障情況下電機的控制難度較大。對于發(fā)

5、展前景廣闊的海上風力發(fā)電系統(tǒng)，由于距離陸地較遠，維護成本高、難度大，雙饋異步發(fā)電機變速箱維護等問題將很大程度上制約其在海上風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用。直驅永磁同步發(fā)電機無需變速齒輪箱，定子繞組經(jīng)全功率變頻器與電網(wǎng)相連。與雙饋電機系統(tǒng)相比，永磁電機材料成本較高，變頻器容量需滿足發(fā)電機額定負載容量需求，初期投入成本較高。但是，直驅永磁電機功率密度大，效率高，省去了變速箱、滑環(huán)等機械結構，運行可靠性高、維護成本低，長期運行經(jīng)濟效益好。直驅永磁風力發(fā)電機的這些優(yōu)點更加適用于海上風力發(fā)電廠等維護難度大、成本高的場合，是未來風力發(fā)電機研究的重要方向之一。2華中科技大學碩士學位論文1.2.2直驅永磁風力發(fā)

6、電機的研究現(xiàn)狀近年來，由于永磁材料的迅速發(fā)展，永磁電機成為了學術界的研究熱點之一。與此同時，一些新型的繞組結構（如：分數(shù)槽集中繞組等）由于其自身存在的優(yōu)點也受到了廣泛關注。文獻[4]從電機運行的基本原則出發(fā)，推導了永磁電機與感應電機運行的基本公式，比較了兩者在直驅應用中的性能，論證了永磁電機在直驅應用中更具優(yōu)勢。文章指出，直驅應用中，電機的直徑一般較大，電機的物理氣隙也會隨著電機直徑的增加而增大，由于永磁電機轉子側有永磁體產(chǎn)生勵磁磁場，物理氣隙的增大對氣隙磁密的影響相對較小，而感應電機由于轉子側無勵磁，氣隙磁密受物理氣隙的影響較大，氣隙增大時電機的功率因數(shù)下降較大，進而會影響到電機的效

7、率。永磁電機根據(jù)其磁通路徑的方向大體可以分為徑向磁通電機、軸向磁通電機和橫向磁通電機三類。徑向磁通電機結構簡單、運行可靠，是目前應用最廣泛的電機結構形式。根據(jù)轉子與定子的相對位置,徑向磁通電機又可分為外轉子電機和內轉子電機。在直驅[5][9]式風力發(fā)電應用中，外轉子電機相較于內轉子電機更具優(yōu)勢。相同外徑條件下，外轉子電機的氣隙直徑一般大于內轉子電機，由電機設計的基本公式可知，較大的氣隙直徑利于產(chǎn)生較大的轉矩密度。因而，設計合理時，相同尺寸的外轉