變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、變速永磁同步發(fā)電機(jī)PWM整流器具有發(fā)電機(jī)電流諧波分量小、功率因數(shù)可調(diào)、直流電壓波動小、能量可雙向流動等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于特種車輛供電、船舶供電、混合動力汽車、新能源發(fā)電等領(lǐng)域。本文以變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，采用理論分析、軟件仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，主要在PWM變流器控制下永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化、變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的控制策略、永磁同步發(fā)電機(jī)諧波分析與抑制等方面進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容如下:
　　首先，本文介紹了變速永

2、磁同步發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，闡述了發(fā)電機(jī)和變流器的基本工作原理，建立了永磁同步發(fā)電機(jī)和PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)各章節(jié)的研究工作奠定基礎(chǔ)。研究了變速永磁同步發(fā)電機(jī)在變流器控制條件下的運(yùn)行特性，對PWM變流器isd=0矢量控制條件下永磁發(fā)電機(jī)的定子電壓平衡方程、直流母線電壓與定子電壓之間的約束關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo);對永磁發(fā)電機(jī)定子電壓和功率因數(shù)會隨電磁功率變化而改變的規(guī)律進(jìn)行了研究，闡明了變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)的基本原理;對變速永磁

3、同步發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器在isd=0矢量控制條件下的重要運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行了提煉。
　　其次，本文對PWM變流器控制下永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化進(jìn)行了深入研究。永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)與變流器構(gòu)成可控發(fā)電系統(tǒng)后，其定子側(cè)接入電壓不再是幅值恒定的連續(xù)正弦波，而是包含多種諧波的脈寬調(diào)制波。因此永磁發(fā)電機(jī)的電壓、電流以及運(yùn)行特性都受到PWM變流器的控制方法、器件參數(shù)等因素約束，傳統(tǒng)直接并網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)設(shè)計與分析模型不再適用于變速永磁同步發(fā)電機(jī)中。

4、本文將經(jīng)典電機(jī)設(shè)計理論中的“磁路計算”和“參數(shù)計算”方法與變速永磁同步發(fā)電機(jī)的矢量控制基本原理相結(jié)合，提出了一種變速永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計分析模型?；谠撃Ｐ停\(yùn)用模擬退火算法(SimulatedAnnealing，SA)對840kW的永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了以效率最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計，對電機(jī)的主要尺寸、槽型進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，得到了電機(jī)更加理想的運(yùn)行效率。最后運(yùn)用有限元方法和MATLAB仿真分析，對840kW永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了空載有限元仿真

5、和負(fù)載情況下的運(yùn)行仿真，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的優(yōu)化設(shè)計方法具有工程使用價值。
　　再次，本文對變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)PWM變流器控制策略進(jìn)行了研究。在PMSG-PWM相量圖和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對變流器isd=0、恒端電壓和單位功率因數(shù)三種控制策略進(jìn)行了研究，理論分析并推導(dǎo)了變速永磁同步發(fā)電機(jī)在不同控制策略下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性，總結(jié)了發(fā)電機(jī)定子相電壓、相電流、功率因數(shù)和極限功率的變化規(guī)律。并且基于這三種控制策略，提出了一種適用于變

6、速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)合控制策略，使永磁同步發(fā)電機(jī)可以適用不同負(fù)載不同轉(zhuǎn)速時的各種工況，提高了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。文章在分析了永磁同步發(fā)電機(jī)模型的基礎(chǔ)上，提出一種基于估算電流模型的無速度傳感器控制方法，該方法根據(jù)已知的參數(shù)得到等效電機(jī)模型推算出估算電流值，以檢測到的實(shí)際電流值和估算電流值之間的誤差來校正估算速度，再對估算速度積分得到轉(zhuǎn)子位置。該方法在高速運(yùn)行時非常穩(wěn)定，最大速度誤差低于0.2％，低速運(yùn)行帶載能力強(qiáng)，這大大擴(kuò)展了永磁同步發(fā)電

7、機(jī)的運(yùn)行范圍，克服了傳統(tǒng)算法適用范圍有限、魯棒性差、與其他算法結(jié)合存在狀態(tài)切換導(dǎo)致不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。
　　然后，本文對永磁同步發(fā)電機(jī)諧波分析與抑制進(jìn)行了研究。在變速永磁同步發(fā)電機(jī)中，由于電機(jī)鐵心開槽引起的氣隙磁導(dǎo)不均勻和定子繞組空間分布不均勻會產(chǎn)生空間諧波磁場，并且永磁同步發(fā)電機(jī)和PWM變流器相連，變流器的調(diào)制使定子電流含有時間諧波而產(chǎn)生的磁場，從而產(chǎn)生諧波損耗。因此，對變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)中的諧波產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析顯得尤為重要。本文對

8、永磁同步發(fā)電機(jī)的空間諧波磁動勢進(jìn)行了分析，并且針對整流器常用的SVPWM調(diào)制方法，分析了基于矢量控制的SVPWM調(diào)制策略下，調(diào)制比與載波頻率對永磁同步發(fā)電機(jī)各區(qū)域損耗的影響，并應(yīng)用Ansoft聯(lián)合仿真對SVPWM調(diào)制策略下調(diào)制比與載波頻率對永磁同步發(fā)電機(jī)諧波損耗影響的規(guī)律進(jìn)行研究。
　　最后，本文對變速永磁同步發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。完成了840kW交流永磁發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)的設(shè)計和制造，搭建了840kW永磁同步發(fā)電機(jī)整流器的實(shí)驗(yàn)平臺，