定子永磁型風力發(fā)電系統(tǒng)關鍵基礎問題中文摘要

針對風電單機容量不斷增大、向海上發(fā)展等所面臨的機組體積與重量日益增大，制造、安裝、維護更加困難，對機組可靠性要求越來越高等新形勢，以提高風電系統(tǒng)能量效率及可靠性與容錯能力為目標，提出并研究一種模塊化、容錯能力強的多相定子永磁型風力發(fā)電機系統(tǒng)。重點研究該電機系統(tǒng)的電磁、結構和冷卻設計理論與原則，多物理場耦合建模與仿真，多相繞組的連接規(guī)則與協(xié)同控制，多目標最優(yōu)控制，可靠性設計與容錯控制策略以及主動缺相運行策略，在線監(jiān)測與故障診斷技術等基礎科學問題，取得理論與技術創(chuàng)新，全面掌握該電機系統(tǒng)的基本工作原理、設計與分析方法、控制策略及實現(xiàn)方法等關鍵技術，試制原理樣機，構建實驗平臺，形成較為系統(tǒng)完整的理論與技術體系，為更深入的后續(xù)研究和實際應用奠定基礎。本項目既面向國家重大需求又飽含豐富而深刻的科學問題，將為風力發(fā)電技術的發(fā)展探索一條新的技術路線，不僅具有重要的科學意義與學術價值，而且應用前景廣闊。

針對風電單機容量不斷增大、向海上發(fā)展等所面臨的機組體積與重量日益增大，制造、安裝、維護更加困難，對機組可靠性要求越來越高等新形勢，本項目以提高風電系統(tǒng)能量效率及可靠性與容錯能力為目標，提出并研究了一種模塊化、容錯能力強的多相定子永磁型風力發(fā)電機系統(tǒng)。重點研究了該電機系統(tǒng)的電磁、結構和冷卻設計理論與原則，建立了多相磁通切換型永磁風力發(fā)電機的數(shù)學模型，闡明了結構參數(shù)、電磁參數(shù)與性能之間的映射關系，制定了該類型電機的一般設計原則和方法，為分析和設計該電機奠定了基礎。發(fā)現(xiàn)了定子永磁型電機定子鐵心存在直流偏磁、局部磁滯回環(huán)等特有物理現(xiàn)象，提出了綜合考慮各向異性導熱、接觸熱阻模擬、場路耦合等功能的精細化多場耦合仿真平臺，實現(xiàn)了對電機進行完整、精確的電磁熱性能參數(shù)仿真計算。從元件級（電機本體與變流器）至系統(tǒng)級（多相定子永磁型風力發(fā)電系統(tǒng)），建立了完善的高可靠性設計方案與故障下的高性能容錯運行方案，提高了多相永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。創(chuàng)建了涵蓋葉輪、變流器、電機定子繞組不對稱、定子繞組短路、定子繞組開路等不同故障的永磁風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷理論與方法，為實現(xiàn)高性能容錯運行奠定了重要基礎。此外，還研究了多相繞組的連接規(guī)則與協(xié)同控制、多目標最優(yōu)控制以及主動缺相運行策略等基礎科學問題。全面掌握了該電機系統(tǒng)的基本工作原理、通用設計理論與分析方法、控制策略及實現(xiàn)方法等關鍵技術，并試制研制了多種規(guī)格多相定子永磁型風力發(fā)電機，構建了實驗平臺，形成了較為系統(tǒng)完整的理論與技術體系，發(fā)表期刊論文60篇，SCI收錄32篇，獲授權發(fā)明專利24件。相關成果獲2016年度國家技術發(fā)明二等獎等獎勵，培養(yǎng)了2名IEEE Fellow、1名優(yōu)青等高層次人才。

早在1955年，美國學者Rauch和Johnson就開始研究永磁體方置于定子上的新型永磁無刷電機，圖2所示即為最早出現(xiàn)的定子永磁型無刷電機結構示意圖。該電機提出時作為一臺單相永磁發(fā)電機運行，其工作原理如下:當轉子在圖2所示的A, B, C, D四個不同位置分別與定子齒對齊時，在A位置和D位置磁路完全相同，此時永磁體產(chǎn)生的磁通都會從左至右地進入上下兩個繞組中。而當轉子移動到B或C時，為永磁磁通提供了不同的路徑，進入繞組中的磁通方向變?yōu)閺挠抑磷蟆Ｓ纱?，固定在定子驪部的電樞線圈中匝鏈的磁鏈極性和數(shù)量都會隨著轉子位置而改變，于是會在繞組中感應出交變電動勢。但由于受到當時永磁體性能等因素的限制，此電機的電磁性能落后于直流電機和同步電機等電勵磁電機，因此在此后的幾十年中未受到重視。

隨著以釹鐵硼(NdFeB )為代表的新型稀土永磁材料的出現(xiàn)和功率電子學、計算機技術、控制理論的發(fā)展，從20世紀90年代開始，陸續(xù)出現(xiàn)了三種

新型結構的定子永磁型無刷電機及其驅動系統(tǒng) ，如圖3所示。這3種結構分別為:1)雙凸極永磁(doubly-salient permanent magnet DSPM)電機2)磁通反向永磁(flux reversal permanent magnetFRPM)電機; 3)磁通切換永磁(flux-switchingpermanent magnet FSPM)電機。這3種新型永磁無刷電機在結構上最明顯的特點是永磁體均置于定子，轉子上既無永磁體又無繞組，因此，將它們統(tǒng)稱為定子永磁型無刷電機。

定子永磁型無刷電機電動汽車領域

電動汽車/混合動力汽車以其超低的排放甚至零排放、節(jié)能環(huán)保等特點，受到了高度重視，并獲得日益廣泛的應用。電機驅動系統(tǒng)是電動汽車的心臟。但電動汽車的特殊運行環(huán)境和條件，要求電機系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高、可靠性強、免維護、轉矩出力大等。特別是在混合動力汽車中，電機系常與內(nèi)燃機集成為一體，環(huán)境溫度高，對電機系統(tǒng)的冷卻散熱提出了嚴峻挑戰(zhàn) 。

在定子永磁型電機中，永磁體和電樞繞組均位于定子側，易于對永磁體和繞組進行直接冷卻，因此非常適合電動汽車領域。圖給出一臺混合動力汽車用三相定子12槽/轉子10極FSPM電機，該電機采用模塊化結構，可以顯著提高電樞繞組槽滿率，并減小繞組端部尺寸，使得電機更為緊湊，進一步提高汽車空間利用率。

定子永磁型無刷電機飛輪儲能領域

在飛輪儲能系統(tǒng)中，電機驅動飛輪高速旋轉，將電能轉換成飛輪的旋轉機械能，使得飛輪儲能系統(tǒng)非常適合用作電網(wǎng)能量緩沖器和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的儲能裝置等。但是，采用傳統(tǒng)轉子永磁電機驅動的飛輪儲能系統(tǒng)，即使既不充電也不放電，飛輪處于待機儲能狀態(tài)時，高速旋轉的永磁體，將在電機鐵心中產(chǎn)生大量損耗，不僅增加了發(fā)熱量，給飛輪系統(tǒng)的散熱提出了更高要求，而且導致儲能時間只能維持數(shù)分鐘甚至更短，極大地限制了應用范圍。

定子永磁型電機的轉子由整塊硅鋼片疊壓而成，結構簡單堅固，非常適合高速運行，令電機轉子與飛輪直接藕合，可以顯著提高飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉換效率及運行可靠性。尤其是使用磁通記憶永磁電機，在飛輪儲能系統(tǒng)進行能量轉換前對永磁體充磁，在能量轉換完成后再對其去磁，避免了轉子隨飛輪旋轉所產(chǎn)生的鐵心損耗，飛輪在儲能待機狀態(tài)近似零損耗。在飛輪放電時，更可根據(jù)飛輪轉速的高低合理控制永磁體磁化水平，在保證正常放電的前提下，使電機鐵耗最小，從而可以顯著提高能量利用效率，延長飛輪儲能時間。

定子永磁型無刷電機軌道交通領域

城市軌道交通所使用的驅動電機主要有旋轉電機和直線電機兩種 。與旋轉電機驅動方式相比，直線電機驅動方式具有諸多優(yōu)點，如結構簡單、壽命長、爬坡能力強、輪徑較小、隧道斷面小和線路設計自由度大等。較為常見的是直線感應電機和直線式永磁同步電機。目前，直線感應電機驅動的軌道交通線路已獲得廣泛應用，但直線感應電機的效率和功率因數(shù)低;直線式永磁同步電機具有效率高、功率密度高、體積小、性能好等優(yōu)點，但是傳統(tǒng)直線永磁同步電機的電樞繞組和永磁體分別放置在電機的初級和次級，需沿軌道鋪設永磁體，制造和維護成本高，限制了其在城市軌道交通等長定子應用場合中的使用。2100433B

定子永磁型電機主要有DSPM電機、FRPM電機和FSPM電機三類，每一類型電機在結構上又有很多變化，它們既有共性，又有個體差異性。它們的共性主要體現(xiàn)在:

1)轉矩產(chǎn)生機理相同。傳統(tǒng)的直流電機、感應電機以及同步電機，都屬于雙邊磁場電機，即勵磁磁場在一邊(定子或轉子)，電樞磁場在另一邊(轉子或定子)，定轉子之間的相對運動使電樞繞組中的磁鏈發(fā)生交變，從而感應出電勢，當繞組中通入電流后，電流與電勢相互作用實現(xiàn)機電能量轉換。而定子永磁型電機的勵磁源和電樞繞組都位于定子，它依靠定子直流勵磁源與轉子凸極的調(diào)制作用，使定子繞組中的磁鏈發(fā)生交變，從而產(chǎn)生感應電勢與電磁轉矩，實現(xiàn)機電能量轉換;

2)定、轉子鐵心結構類似，均呈凸極結構;

3)永磁體和電樞繞組均位于定子，與轉子永磁型電機相比，可方便地對永磁體進行直接冷卻，從而控制其溫升;

4)凸極轉子僅由導磁材料構成，既無永磁體，也沒有繞組，結構特別簡單可靠，并且易于和某些應用對象直接藕合，集成一體 ;

5)電樞繞組多為集中式繞組，端部短，用銅少，電樞繞組的電阻小，銅耗低。 另一方面，由于不同類型電機中永磁體用量和布置方式不同，導致其不同的性能和特點。比如，DSPM電機的永磁體用量較少，磁鏈為單極性，其轉矩密度也相對較低;而FSPM電機的永磁體用量較多，并且磁鏈為雙極性，其轉矩密度較高。此外，它們的感應電勢波形也不同，DSPM電機和FRPM電機的電勢波形基本呈梯形波，更適合采用BLDC控制模式，而FSPM電機的電勢具有正弦波形，更適合BLAC控制方式等。