级联部分功率变换器并网的双转子永磁风力发电系统研究

提出了突破传统技术的级联部分功率变换器的双转子永磁风力发电系统拓扑结构，不仅去除了传统风力发电系统中最薄弱的机械齿轮箱，实现永磁发电机的直接驱动，而且永磁发电机和电网的并网接口仅需要小部分的发电机额定功率，直接降低了制造成本，同时永磁风力发电机仍具有优异的并网运行性能。研究其工作原理、电磁特性和参数计算方法、设计方法、控制策略等基础问题，建立场路耦合的联合仿真模型，实现双转子永磁发电机系统级仿真，构建基于dSPACE的硬件在回路控制实验平台，优化系统控制策略和算法，提炼相关基础科学问题，为后续研究和应用奠定基础。该发电系统的研制成功及其产业化，为我国在风力发电技术领域赶超世界先进水平创造难得的机遇，将有力地促进国内风电制造产业的发展壮大，本项目不仅具有重要的科学意义和学术价值，而且应用前景十分广阔。

主要研究一种应用在变速恒频风力发电系统中的双转子永磁发电机，该发电机的作用是把传统双馈发电机永磁化，从而兼具双馈发电机和永磁发电机的优点，去掉双馈变速恒频风力发电系统中的齿轮箱，提高整个系统的可靠性。本项目提出了定频双转子永磁风力发电机的基本结构，分析了其工作原理，在此基础上对其进行设计，确定电机的主要尺寸、永磁体尺寸、槽数、槽形以及绕组等；采用ANSYS有限元软件，通过参数化建模的方式建立定频双转子永磁风力发电机的二维有限元模型，并通过差值运动边界法处理该电机的相对运动问题，最后通过求解和后处理得到电机的电磁特性；对定频双转子永磁风力发电机进行绕组设计和相关参数优化，对优化后电机的静态特性进行了分析；采用等效热网络法对定频双转子永磁风力发电机进行热分析，建立等效热网络模型，对模型中的各个热参数进行逐个分析和计算，根据热平衡原理联立所有节点的热平衡方程并进行求解；试制了样机并预先埋入测温元件，对制作的样机进行空载电势、效率及稳态温升的测试，验证了电机理论设计和分析的准确性。.对变速恒频双转子永磁风力发电系统的控制策略和数学建模进行了深入研究，构建了双转子永磁风力发电系统的仿真模型并进行了仿真运行；设计并实现了一种基于xPC技术的风力发电半实物仿真平台，该半实物仿真平台不仅大大减少了控制器验证的成本的支出，而且还可以根据实际情况灵活地调整风力发电系统模型以及风况环境，对半实物仿真平台的软硬件系统组成原理和人机界面进行了研究并进行了实验验证；以DSP控制器为核心，构建了双转子永磁风力发电机控制系统，完成了控制系统的软硬件设计，实现双转子永磁风力发电系统的变速恒频发电运行，实验结果证明了理论分析的正确性。