复合转子结构高效变速恒频风力发电机系统研究

本项目研究一种用于直驱式变速恒频风力发电系统的复合转子结构发电机。该电机通过行星齿轮将两台电机的转子的结合起来，行星架作为电机输入轴与风力机直接连接，行星齿轮外框架作为辅助调速电机转子，太阳轮作为永磁同步发电机转子。该电机的特点是电气传动系统与机械传动系统的有机结合，将增速齿轮箱嵌入电机内部，在电机输入转速变化时，通过行星齿轮的差速调节实现发电机输出频率的恒定，省略了传统风电系统中独立的增速齿轮箱和发电机与电网之间的交-直-交变频环节，简化了系统的构成；并通过辅助调速电机可以平衡外部输入机械功率与发电机功输出率之间的不平衡，提高风能转换效率。本项目通过对电机的各种结构形式进行分析，对电磁系统与机械系统耦合的设计方法和匹配技术进行研究，优化电磁系统参数与机械系统的参数，充分发挥两种系统的特点，探求该电机的最佳运行模式及控制策略，使该电机能够与风力机及电网参数得到最佳匹配。

本课题属于风电领域，研究了一种新型的风力发电系统，借鉴双馈风力发电的变速恒频思想与直驱风力发电系统的结构，采用行星齿轮将风力机功率在两台永磁电机间进行合理分配并馈送电网。直驱风力发电系统与双馈风力发电系统是现阶段主要的两种风力发电系统，双馈风力发电系统连接在风力机与发电机之间的多级齿轮箱需要定期维护，双馈电机的电刷、滑环需要定期更换，影响双馈系统的成本及可靠性；直驱系统发电机直接与风力机相连，导致发电机的转速低，体积大，成本高，另外直驱系统发电机与电网之间连有与发电机同样功率等级的变流器，该全功率变流器成本高，体积大。本课题利用行星齿轮的功率分配特性，将风力机、发电机以及一台调速电机通过行星齿轮连接起来，省去了直驱系统中的全功率变流器，实现了将发电机直接并网，采用单级行星齿轮，系统的可靠性提高，具有研究开发价值。.主要工作包括根据风力机输出特性，确定该系统参数匹配方法，给出功率流分配理论分析，提出两台永磁电机的性能指标并完成电磁分析与样机本体设计制造。分析了不同工况下两台电机的工作模式与功率流的变化，提出全风况下转速－转矩模式控制策略，低于额定风速时调速电机转速控制能够实现发电机恒频并网，高于额定风速时通过控制调速电机转矩限制发电机输出有功功率在额定值附近，对控制策略进行仿真研究，给出转速－转矩控制平滑切换规则。.两台永磁电机功率分别为12kW和2kW，完成一轮样机制造，搭建了系统小功率实验平台，多次反复进行并网操作验证系统结构的可行性，并网后保持系统长时间运行验证其稳定可靠性。当风力机输入功率改变时，通过控制调速电机验证行星齿轮进行功率分配的有效性。课题所研究的新型风力发电系统通过机电耦合的方式实现变速恒频，亚风速以下时调速电机虽然从电网吸收能量，但这部分能量通过行星齿轮传递给发电机最后馈送电网。未来的工作可在系统电机本体设计上在一定风速范围内探求发电机与调速电机最佳参数配皮做进一步优化，同时系统控制策略上可引进先进算法，改善动态性能。