正弦磁链型高功率密度横向磁通永磁风力发电机研究

In this proposal, a novel sinusoidal flux-linkage high power density transverse flux permanent magnet wind generator is proposed to deal with the low utilization of permanent magnets and high harmonic distortion of flux-linkage in current transverse flux permanent magnet machines. The principle of this generator is illustrated in detail; and the researches on its parameter calculation, electromagnetic and structure design and optimization are carried out. Through the optimized design, the flux-linkage of the generator is approached to sinusoid to decrease the design difficulty and cost of the machine-side controller in wind power generation system. On the other hand, the power density of this generator can be improved and the reduction of cogging torque is realized to decrease the losses of the system. Based on the proposed generator, the simulation and experimental platform of the direct-drive grid-connected wind power system are built respectively. Combining the characteristics of the wind turbine and this generator, the control method and control strategy in machine-side and grid-side are designed and improved to realize the high efficiency operation of the whole system, and the optimal control methods for multi-phase and fault-tolerant operations are investigated respectively, which lays the theoretical and technical foundation for the novel transverse flux permanent magnet generator applied in wind power system.

针对现有横向磁通永磁电机存在永磁利用率偏低、磁链谐波分量较高等问题，本项目创新性地提出了一种正弦磁链型高功率密度横向磁通永磁风力发电机，深入探讨了该电机的运行原理，并对其参数计算以及电磁与结构优化设计方法展开研究。通过对电机电磁与结构方面的优化设计，努力提高电机磁链的正弦度，从而降低风力发电系统中电机侧控制器设计的难度和成本；另一方面提高电机的功率密度、减小电机的定位力矩，使系统的损耗降低。搭建基于该发电机的直驱式并网风力发电系统的仿真与实验平台，结合风轮机与该发电机的特点，对系统中发电机侧和电网侧控制器的控制策略与控制算法进行分析设计并加以改进，以实现系统高效率的控制，并探索多相运行和容错运行的最佳控制方式，为新型横向磁通永磁电机在风力发电系统中的应用提供了理论与技术基础。

由于现阶段国内外对横向磁通永磁风力发电机的研究还存在永磁体利用率偏低，磁链谐波分量较高，加工制造难度较大，功率密度较低等问题。解决以上问题成为进一步提高TFPMG功率密度并促进其工程应用的关键所在。.本项目在现有各种结构的横向磁通永磁电机深入分析研究的基础上，创新性地提出了一种正弦磁链型高功率密度横向磁通永磁风力发电机（SFHPD-TFPMWG）。通过研究SFHPD-TFPMWG这类适用于大容量低速直驱风力发电的具有高功率密度的新型发电机及其风力发电系统控制技术，掌握电机参数和性能特性的计算方法，通过电磁优化设计技术实现电机性能的提高。分别研制了单相与三相SFHPD-TFPMWG样机并进行了实验，验证了电磁设计方法的正确性。以减少电机定位力矩为目标对该电机的参数进行优化，从而提高了电机的性能。以传统永磁电机及风力发电系统为对象，搭建基于永磁电机的风力机模拟装置，并通过仿真与实验进行验证。在此基础上，以SFHPD-TFPMWG为研究对象，搭建电机及其风力发电系统的仿真模型，研究风力发电系统的风能最大功率追踪的控制方法和最佳控制策略。本项目在电机拓扑结构、电磁设计方法和控制策略这三方面取得突破和创新性成果，为新型横向磁通永磁风力发电机及其在风力发电系统中的运用提供了理论与技术基础。