磁齿轮复合多端口波浪发电机优化设计与控制研究

A magnetic-geared multi-port generator and its corresponding control system are proposed for wave energy conversion system to improve the stability and efficiency of wave energy conversion system and reduce its complexity. The fundamental problems of generator design, such as design of structure, electromagnetic and thermal and multi-physics coupling for the multi-port generator are studied.The topologies of stator and rotor is optimized. A weak-thermal-coupling redundant winding without electromagnetic coupling and a permanent magnet structure that maximizes output power are designed. The magnetic coupling enhancement and control decoupling between magnetic gear ports and traditional electrical machine ports are investigated. Further, this project proposes a multi-objective optimization program and parameter design method, which intends to achieve the maximum generator power density, the most stable output power and the minimum current harmonic contents for wave energy conversion. Some key technologies, such as anticorrosion, ventilation, and dehumidification are studied to improve the reliability of the generator. Moreover, an active stiffness control strategy of system, fault protection control method, design of redundant reconfigurable power generation control and variable time scale multi-sources hybrid energy storage control strategy are studied, so as to maximize the system's output power and achieve smooth control. Finally, the system-level maximum wave energy capture is achieved. The project will significantly enhance key techniques of wave power generation and is of great significance to fulfill the sustainable development of energy in China and realize the marine power dream.

为提高波浪发电系统的效率和稳定性并降低其复杂性，本项目提出一种适用于波浪发电系统的集磁齿轮一体的多端口发电机及其控制系统。研究多端口电机的结构、电磁、热和多物理场耦合设计等电机设计基础问题，优化电机定转子拓扑结构，设计弱热耦合、无电磁耦合的冗余绕组型式和能使输出功率最大化的永磁体结构。挖掘磁齿轮端口与传统电机本体端口之间的增磁耦合与控制解耦规律。拟提出一种以发电机功率密度最大、输出功率最平稳、电流谐波含量最小为目标的电机多目标优化设计方案及其参数综合设计方法。研究复合电机的防腐、通风、除湿等关键技术，以提高装置的可靠性。同时，研究系统主动变刚度控制策略、故障保护控制方法，设计冗余可重构发电控制和变时间尺度多元混合储能控制策略，达成系统输出功率的最大化和平滑控制，进而实现“系统级”最大波能捕获。项目将显著提升我国波浪发电关键技术水平，对我国能源可持续发展和海上强国梦的实现具有重要意义。

为提高波浪发电系统的效率和稳定性并降低其复杂性，本项目提出了一种适用于波浪发电系统的集磁齿轮一体的多端口发电机及其控制系统。研究了多端口电机的结构、电磁、热和多物理场耦合设计等电机设计基础问题，提出了一种以发电机功率密度、输出效率和电动势最大为目标的电机不同权重多目标优化设计方案及其参数设计方法。对电机敏感参数采用RSM以径向基函数的形式拟合综合加权性能函数，采用改进灰狼算法精确寻求最优参数；对不敏感参数采用参数扫描方法寻找合理值。优化了电机定转子拓扑结构，设计了弱热耦合、无电磁耦合的冗余绕组型式和能使输出功率最大化的永磁体结构，提出了一种基于速度权重的蝙蝠算法改进方案，并采用此改进的蝙蝠算法对磁极形状进行优化设计，降低了电机的齿槽转矩大小。挖掘了磁齿轮端口与传统电机本体端口之间的增磁耦合与控制解耦等规律。根据电网低电压故障期间，磁齿轮复合波浪发电系统的功率偏差特性以及不同故障程度的影响，提出了一种波浪发电系统低电压穿越协调控制策略，对机侧整流器、网侧逆变器、超级电容储能系统进行协调控制，有效改善了波浪发电系统低电压穿越效果，以提高装置的可靠性。针对波浪发电阵列场或连接至微电网下的多逆变器并联系统短路故障情况，提出了一种基于故障电流限制的故障穿越控制策略，通过公共耦合点三相电压支撑控制以及故障点总故障电流限制措施，改变各个分布式发电单元逆变器故障注入电流的幅值和相位，从而限制故障点总故障电流的大小。同时，研究了系统主动变刚度控制策略、故障保护控制方法，设计了冗余可重构发电控制和变时间尺度多元混合储能控制策略，提出了一种协同自适应VSG控制策略，可以消除频率调节稳态误差，提高直驱式波浪发电系统的动态稳定性，实现了系统输出功率的最大化和平滑控制。项目还研究了波浪发电在AUV能源系统中的应用可行性。项目将显著提升我国波浪发电关键技术水平，对我国能源可持续发展和海上强国梦的实现具有重要意义。