笼障转子耦合双定子模块化无刷双馈风力发电机系统关键基础问题研究

The world wind power technology is developing toward the large scale, high reliability and direct drive when used in offshore wind power environments. Due to the special operation environment, the higher requirements of wind power generator are put forward, such as reliability and power density. However, there are some problems about the reliability of doubly fed generators, the cost and corrosion of permanent magnet synchronous generators, these technologies have not yet been fully developed for offshore wind power generation. Brushless doubly fed generator (BDFG) has several outstanding advantages, such as brushless, reliability, easy to realization of low speed direct drive, smaller capacity of the required converter and low cost. It has been gradually penetrating into the large-scale offshore wind power. In order to improve the power density, wind power conversion efficiency, and realize transportation and installation easily, a modular direct drive type brushless doubly fed wind power generator with cage and magnetic barrier rotor coupling with double stator and its excitation control strategy is proposed in this project. The researches on several crucial basic issues are discussed, including the realization of modular structure of this generator, the optimization design of this novel cage and magnetic barrier rotor, the direct power excitation control strategy and so on. Through the theoretical and experimental researches, the complete theoretical system and the analysis and design methods about this generator and its control system are obtained. This will lay the technical foundation for the future research. This project is not only geared to the national significant requirements, but also has abundant academic issues. At the same time, it has momentous scientific significances and engineering application value.

风电技术正向着大型化、高可靠和直驱型的海上风电发展，特殊运行环境对发电机的可靠性和功率密度提出了更高要求。而目前广泛应用的有刷双馈发电机的可靠性和永磁发电机的成本及耐腐蚀问题，已不能很好满足海上风电要求。无刷双馈发电机具有无刷可靠、易于实现低速直驱，以及所需变流器容量小、成本低等优点，在大型海上风电中具有广阔的应用前景。为更好提高该种发电机的功率密度和风电转换效率，并便于分体运输安装，本项目提出了一种笼障转子耦合双定子的模块化直驱无刷双馈风力发电机及其励磁控制策略。拟对该种发电机模块化结构的实现、新型笼障转子的优化设计和直接功率励磁控制策略等若干重大关键基础问题进行深入研究，通过理论与实验研究，形成该种发电机及其控制系统完整的理论体系和分析设计方法，为后续研发应用奠定技术基础。本课题既面向国家重大需求又蕴含丰富的科学问题，具有重要的科学意义和工程价值。

目前广泛应用的有刷双馈发电机的可靠性和永磁发电机的成本及耐腐蚀问题，已不能很好满足风电要求。无刷双馈发电机具有无刷可靠、易于实现低速直驱、所需变流器容量小、成本低等优点，在大型海上风电中具有广阔的应用前景。为更好提高该种发电机的功率密度和风电转换效率，并便于分体运输安装，本项目提出研究一种笼障转子双定子模块化无刷双馈发电机及其励磁控制策略，对该种发电机模块化结构的实现、新型笼障转子的优化设计和直接功率励磁控制策略等若干重大关键基础问题进行了深入研究。.主要研究内容如下：.（1）基于笼障转子双定子无刷双馈发电机不同结构型式对比分析，结合风电要求，确定了该种发电机的结构型式，提出了一套该种发电机主要尺寸设计原则和电磁性能计算方法，以及笼障转子结构参数选取原则和方法，为该种发电机设计和转子优化提供了技术支撑；.（2）研究了该种兆瓦级发电机的模块化设计技术、装配实现和绕组排布方案，并基于结构受力和形变分布规律，提出了其机械结构和装配方式，为大型模块化风力发电机的研制与推广提供了重要依据；.（3）研究了温度计算方法，建立了整机热路计算模型，提出了内外双水冷和内外水冷+空冷混合两种冷却系统设计方案，通过改进通风结构，得到了冷却系统的较优设计方案，为该种新型发电机的冷却系统研究和实现提供了理论依据；.（4）推导了该种特殊发电机的空间矢量数学模型、电磁转矩和功率等表达式，采用直接功率控制方法实现最大功率跟踪，重新制定了开关电压矢量选择表，为深入研究高性能控制策略及大容量、高冗余度变流器馈电拓扑夯实了理论基础；.（5）研制了一套50kW实验样机系统，完成了电机参数、性能、振动、噪声和温升测试以及最大功率跟踪控制实验，验证了所提出发电机系统分析理论与方法的正确性和有效性，通过理论与实验研究，形成了该种发电机及其控制系统完整的理论体系和分析设计方法。.依托本项目研究，获省部级科技奖励6项，市级科技奖励1项；获授权国家发明专利2项，实用新型专利4项，软件著作权1项，申请并已公开国家发明专利12项；参与编制国家标准2部；出版学术专著6部；发表学术论文60篇，其中被SCI收录21篇、EI收录26篇；培养博士生7名，硕士生28名，其中4名博士生与25名硕士生已顺利毕业。.项目在无刷双馈发电机系统的理论分析、设计方法与控制策略方面取得了重要的研究成果，对推动其发展具有重要的科学意义和工程实用价值。