2兆瓦永磁直驱风力发电机研制介绍-杨振河解析

直驱式永磁同步风力发电机概述永磁同步发电机是一种以永磁体进行励磁的同步电机，应用于风力发电系统，称为永磁同步风力发电机。

永磁同步风力发电机一般不用齿轮箱，而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接，为“直驱式”，所以称为直驱式永磁同步风力发电机，以下本章除特指外均简称为永磁同步发电机。

一、永磁同步发电机的特点1.与传统电励磁同步发电机比较同步发电机是一种应用广泛的交流电机，其显著特点是转子转速n与定子电流频率f之间具有固定不变的关系，即n=n0=60f/p，其中n为同步转速，p为极对数。

现代社会中使用的交流电能几乎全部由同步发电机产生。

永磁同步发电机是一种结构特殊的同步发电机，它与传统的电励磁同步发电机的主要区别在于：其主磁场由永磁体产生，而不是由励磁绕组产生。

与普通同步发电机相比，永磁同步发电机具有以下特点：（1）省去了励磁绕组、磁极铁芯和电刷-集电环结构，结构简单紧凑，可靠性高，免维护。

（2）不需要励磁电源，没有励磁绕组损耗，效率高。

（3）采用稀土永磁材料励磁，气隙磁密较高，功率密度高，体积小，质量轻。

（4）直轴电枢反应电抗小，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。

（5）永磁磁场难以调节，因此永磁同步发电机制成后难以通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率（普通同步发电机可以通过调节励磁电流方便地调节输出电压和无功功率）。

（6）永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，永磁体的温度系数较高，输出电压随环境温度的变化而变化，导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。

（7）永磁体存在退磁的可能。

目前，永磁同步发电机的应用领域非常广泛，如航空航天用主发电机、大型火电站用副励磁机、风力发电、余热发电、移动式电源、备用电源、车用发电机等都广泛使用各种类型的永磁同步发电机，永磁同步发电机在很多应用场合有逐步代替电励磁同步发电机的趋势。

2.与非直驱式双馈风力发电机比较虽然双馈风力发电机是目前应用最广泛的机型，但随着风力发电机组单机容量的增大，双馈型风力发电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是不用齿轮箱而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生。

未来，需要进一步开展直驱永磁同步风力发电机的优化设计和应用研究。例如， 通过提高发电机的额定功率和降低制造成本，可以进一步提高其经济性；还需 要加强该技术在不同环境和气候条件下的适应性和稳定性研究，为直驱永磁同 步风力发电机的广泛应用提供更加坚实的基础。
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展望未来，风力发电技术将在全球范围内得到更广泛的应用和发展。随着技术 的不断进步和市场需求的变化，MW级直驱永磁同步风力发电机的研究也将不断 深入。未来的研究将更多地如何提高发电机的效率和可靠性，降低制造成本和 维护成本，
以及如何更好地与电网进行连接和控制等方面的问题。随着数字化和智能化技 术的发展，将这些技术应用于风力发电机设计中也将成为未来的一个研究方向。
2、结构简单：该技术不需要增速齿轮箱，减少了机械损耗和故障率。
3、维护方便：由于结构简单，直驱永磁同步风力发电机的维护工作量较小， 降低了维护成本。
4、适应性强：该技术适用于不同规模的风电场，能够满足不同需求。
三、直驱永磁同步风力发电机的 应用场景
1、大型风电场：直驱永磁同步风力发电机适用于大型风电场，能够满足大规 模电力输出的需求。
MW级直驱永磁同步风力发电机设计
01 一、确定主题
目录
02 二、编写大纲
03 三、详细设计
04 四、结果分析05 五来自总结与展望06 参考内容
一、确定主题
随着环保意识的不断提高和可再生能源的广泛应用，风力发电技术得到了持续 发展。其中，MW级直驱永磁同步风力发电机由于其高效、可靠、维护成本低等 特点，成为了风力发电领域的研究热点。本次演示将详细介绍MW级直驱永磁同 步风力发电机的设计过
2、效率评估：通过对比不同设计方案和不同制造工艺下的发电机效率，选择 最优方案和工艺。

• 金风62/1200风力发电机是外转子型，转子位于定子 的外部。由于采用这种永磁体外转子结构，与同类电励磁 风力发电机相比，金风62/1200风力发电机组的电机的尺 寸和外径相对较小。下图显示了两种结构的对比。图中两 种结构的气隙直径是相同的，因此功率输出也是相同的。 金风62/1200风力机外转子直径仅仅比气隙直径大了 几厘米，而一般的电机结构高出气隙直径很多。电机直径 小带来的好处就是重量轻，易于运输。
主要零部件
变距系统设计方案 • 驱动装置： 采用三个相互独立的变 频调速电机传动机构。 • 后备储能单元： 采用大容量电容， 免维护，可靠性高。 • 传动方式： 同步齿型带，免维护， 成本低。
主要零部件
机舱底座
主要零部件
轮毂
永磁电机效率对比
1.2MW永磁直接驱动风机功率曲线
发 电 量 对 比
成本问题
由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵，稀土永磁 发电机的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在 电机高性能和运行中得到较好的补偿。在今后的设计中 会根据具体使用的场合和要求，进行性能、价格的比较， 并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。 无可否认，现正在开发的产品成本价格比目前通用 的发电机略高，但是我们相信，随着产品更进一步的完 美，成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI（德尔 福）公司的技术部负责人认为：“顾客注重的是每公斤 瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发 电机的市场前景不会被成本问题困扰。
•
因此，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁 路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分 析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先 进的测试方法和制造工艺。
永磁材料的技术性能与退磁曲线的形状, 对电机的性 能、外形尺寸、运行可靠性等有很大的影响,是设计与制 造永磁电机时需要考虑的十分重要的参数。对于不同的情 况, 不同的场合, 应采用不同的结构形式和永磁材料。图 给出这几种永磁材料的退磁曲线(还受温度影响）。

2 MW直驱永磁同步风力发电机的电磁设计
吕雨农;彭晓;王步瑶;刘万太
【期刊名称】《湖南工程学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(026)001
【摘要】通过应用传统电机电磁计算方法确定了2 MW永磁同步风力发电机的初始电磁方案,并确定了发电机的几个主要的设计参数,对Ansoft Maxwell软件中的RMxprt电机设计模块所建立的发电机模型进行仿真和分析,通过对此仿真分析结果和电磁计算结果进行对比,反馈到发电机初始电磁方案中,进行相应的修正和完善,得到了符合设计要求的发电机电磁方案和主要电磁参数仿真结果,验证了2 MW永磁同步风力发电机设计的有效性.
【总页数】4页(P15-18)
【作者】吕雨农;彭晓;王步瑶;刘万太
【作者单位】湖南工程学院电气信息学院,湘潭411101;湖南工程学院电气信息学院,湘潭411101;湘潭电机股份有限公司,湘潭411101;湘潭机电技术学院,湘潭411101
【正文语种】中文
【中图分类】TM315
【相关文献】
1.5MW直驱永磁风力发电机的电磁设计与计算 [J], 李春林
2.2.935MW永磁同步风力发电机电磁设计与仿真 [J], 温嘉斌;李金泽
3.3 MW半直驱永磁风力发电机电磁设计与仿真 [J], 刘军伟;李华阳;钟云龙;崔明;卢江跃
4.全球首台12MW半直驱永磁同步风力发电机在中车株洲电机下线! [J],
5.国内首台6MW海上半直驱永磁同步风力发电机在中车株洲电机下线 [J],
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网的坚 固性 建设 ，实现 大区域 电网 的互联 ，保 证 电
网的协 调发 展 ，为实 现大 区域 电网智 能运 营创 造条 件 ；同时要 加强地 区配 电网 的结构 优化 升级 ，适 应
未来 分布 式 电源 、微 网 的连接 。
重要 。通 过 智 能 监 测 技 术 获 得 精 确 的 系 统 实 时 数
实体 电网作 为 Ｓ 的物 理 载 体 ，是 实 现 Ｓ 的 Ｇ Ｇ 基础 。必 须 加大 骨干 电 网的建 设 ，尤其 是特 高 压 电
网的建设 ， 以构 成坚 强 的 电网构架 ；加强 大 区域 电
互 动化 ，主要 依靠 信 息平 台 的建设 和信 息通信 技术
实现 。Ｓ 是一项 长 期 的 系统 Ｔ 程 ，其 基 础 是 多种 Ｇ 高级 技 术在 电力 系统 中 的应用 ，该 基础 的奠定 尤为
和储 能行 为 ；并 结 合智 能分 析 Ｔ具 ，用友好 的可视 化方 法提 高运行 人 员 的操作 水平 ，从 而将 电 网建设
成 为 紧随 时代发 展 的更 加安 全稳 定 的坚强 Ｓ Ｇ。
参考文献 ：
［］ 肖世杰 １ 构 建 中国 智 能 电 网 技 术 思 考 ［］ 电 力 系 统 自动 化 ． Ｊ
第 ３ 期
张 静 芳 ：智 能 电 网 的基 础 条 件
２ ４ 先进 的 电力设 备 ．
率 、电能 利 用 率 、供 电 质 量 和 可 靠 性 等 方 面 的性
能 ，实现 Ｓ 是经 济 和技 术发 展 的必 然 结果 。智 能 Ｇ 的基 本特 征 是 能 够 实现 信 息 化 、数 字 化 、 自动 化 、
ｄ ）高效 能 源 材 料 技 术 。 主要 包 括 太 阳 能 电 池 相关材 料 ，燃料 电池关 键材 料 ，高容 量储 氢 、高 效 二次 电池 材料 ，超 导关 键材 料及 制备 技 术 ，以及 高

直驱式永磁同步风力发电机性能研究摘要：现代风力发电技术的发展趋势为一是无刷化，二是采用取消增速机构的风力机直接驱动低速发电机，其中最典型的是直接驱动永磁风力发电机。

本文以输出功率1.5 MW，转速为20 r/min，120 极378槽的内置式直驱永磁风力发电机为例，通过场路结合法分析了发电机在空载、额定负载、短路情况下的运行性能。

最后比较和分析了极弧系数、负载变化以及每极每相槽数对永磁同步发电机性能的影响，为今后电机参数优化提供理论依据。

关键词：直驱式；永磁同步风力发电机；性能前言永磁直驱同步风力发电机是由风力直接驱动发电机进行发电，亦称无齿轮风力发电机。

这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。

由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和易过早损坏的部件，因此没有齿轮箱的直驱式风力发电机，具备高效率、低噪声、高寿命、体积小、维护成本低等诸多优点。

一、永磁同步风力发电机运行性能分析采用RMxprt软件对功率为1.5 MW的直驱式永磁风力发电机进行设计，确定电机尺寸为：定子外径3 620 mm，定子内径3 324 mm，转子外径3 182 mm，铁心长度1 140 mm，永磁体材料为Nd-FeB，永磁体厚度25 mm，气隙长度6 mm。

RMxprt软件得到的永磁风力发电机的性能指标列于表1。

1、空载特性图1 给出用Maxwell2D软件得到的转速为20 r/min时的空载相电压波形，其空载线电压为1 194.9 V，而用RMxprt软件计算的空载基波感应电压为1 021.9 V，两者差值是由于其它次谐波所造成的。

图2所示为空载电压的谐波分量分布情况，3次谐波为其谐波中最大，总谐波畸变THD为11.91%，可以采取优化永磁体形状等一些设计方案来降低THD。

空载齿槽转矩如图3所示，表明120极378槽设计方案的齿槽转矩脉动小，风机叶片的转速脉动也随之减小。

图4给出了空载时的磁力线分布情况，可以看到磁力线合理地分布于定子齿部和转子轭部内，永磁体间漏磁很小，定子齿部磁密较大。

1.5 MW直驱永磁风力发电机综述作者：杨斌山陈早康来源：《硅谷》2013年第16期摘要风能是一种丰富、清洁和可再生的一次能源，实现可靠、高效、经济的“风能-机械能-电能”的转化和输送是当前研究的重要课题。

针对风力发电控制问题，综述了国内外相关技术研究现状，分析了1.5 MW直驱永磁风力发电机的结构及原理，阐述了发电机组的并网技术。

关键词风力发电；直驱永磁；并网中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）16-0010-021 风力发电简介风能跟太阳能一样属于一种可再生资源，具有清洁、丰富、一次性等特点，在社会与经济的发展过程中，它已经越来越成为一种被广泛重视的能源。

风能的蕴藏量十分大，全世界范围内拥有的风力资源的总量大约有2.74×109 MW，在这些总能中绝大多数能够被我们加以利用，超过能够被开采利用的水资源十倍多全球目前有三大风力发电市场，它们分别是美国、德国、西班牙，而中国一直有储量很大的风能，因为中国国土面积的广阔，所以这些能源的分布很广，再加上我国近几年风电产业技术的飞速发展，中国将成为全球排名第四的风力发电市场。

在现在的中国，风力发电行业将会拥有一个十分广阔、充满生机的发展前景，并将处于一个飞速发展的状态中。

现在风电装机国产化以及规模化的不断实现，让风力发电的成本有了降低的可能，所以风电产业将成为一些人实现财富梦想的投资目标。

西部地区的新疆维吾尔自治区占总国土面积总数的15%，该区因为其得天独厚的地质条件，可产生丰富的电力资源。

在新疆，可以开发利用的风区总面积超过了14万平方公里，主要分布在达坂城、罗布泊、塔城老风口以及小草湖等地，这些风区可装机总量大约在7900多万以上。

新疆凭借着丰富的风能资源形成了对国内外风电企业具有强大吸引力的风电市场。

有关部门对此做了初步的规划，要在2020年实现风电装机总容量千万千瓦余的突破，达到新疆风电可以大规模向外输送的目标。

永磁同步风力发电机的自抗扰控制
电工电气
(2017 No.8)
设计与研究
永磁同步风力发电机的自抗扰控制
曹梦莹1，余淼2，李娟1，王晨豪1，徐怡雯1
(1 扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127； 2 江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225129) 摘 要：针对永磁同步风力发电机系统存在的建模误差、内部模型的不确定性、外界环境的多重扰 动等问题，提出一种不依赖于数学模型、抗干扰能力强且易于实现的复合自抗扰控制方法。该方法以实 现最大功率跟踪为控制目标，采用自抗扰控制，基于最佳叶尖速比调控电机转速，利用扩张状态器实时 估计系统总干扰， 且通过前馈通道进行干扰补偿， 从而提高转速跟踪能力， 并结合传统 PI 进行反馈控制， 来提高系统运行的稳定性。仿真结果表明，在不同风速情况下，相比传统的 PI 控制方法，自抗扰控制 方法能够更好地实现系统的最大功率输出，有效提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力。 关键词：自抗扰控制；永磁同步风力发电机；最大功率点跟踪；最佳叶尖速比 中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2017)08-0001-07
Active Disturbance Rejection Control of Permanent Magnet Synchronous Wind Power Generation System
CAO Meng-ying1, YU Miao2, LI Juan1, WANG Chen-hao1, XU Yi-wen1 （1 School of Hydraulic Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China; 2 Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co., Ltd, Yangzhou 225129, China） Abstract: Considering the problems such as modeling error, internal model uncertainty and multiple disturbance of external environment in the permanent magnet synchronous wind power generation system, this paper proposed a complex active disturbance rejection control method with high performance of anti-interference which was independent of mathematical model and easy to implement. To track the maximum power, the active disturbance rejection control was used to adjust the motor speed based on the optimum tip speed ratio, the extended state observer was used to estimate the total disturbance of the system in real time and the interference was compensated through the feedback controller to improve the speed tracking capability. The system was combined with the traditional proportion integration (PI) control to improve the stability of the system operation. The simulation results show that under the conditions of different speeds, compared the traditional PI control method, the active disturbance rejection control method can realize the maximum power output of the system, which improves the robustness and anti-interference ability of the system. Key words: active disturbance rejection control; permanent magnet synchronous wind power generation system; maximum power point tracking; optimum源，其能量的转化和利 用对解决能源短缺、 优化环境等问题具有重要意义。 针对风能的开发利用， 世界各国都进行了深入研究， 对发电的质量和效率，以及发电系统的安全可靠性 提出了更高要求。此外，永磁同步风力发电机采用

龙源期刊网 兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航特性分析作者：鄂加强陈燕李振强钱承来源：《湖南大学学报·自然科学版》2014年第01期摘要：针对兆瓦级风力机偏航动作时剧烈振动问题，本文根据兆瓦级风机偏航系统主动偏航原理，在ADAMS中建立了兆瓦级风力发电机偏航系统虚拟样机动力学仿真模型.兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航振动分析结果表明，偏航系统前四阶扭转振动的固有频率分别为17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz，170.182 3 Hz.动力学仿真分析结果表明，主机架在偏航运动的结束阶段存在剧烈的来回振荡现象，且振动的幅值达到了0.15 rad，振动衰减的时间超过了20 s，通过在主机架上加反馈控制可快速消除兆瓦级风机偏航系统来回振荡现象.关键词：风力发电机组；偏航系统；主动偏航；固有频率中图分类号：TK83 文献标识码：A随着世界各国对能源需求的持续增长与日益严格的环境法规，目前兆瓦级风力发电机组已成为风能利用的主流设备.当风速矢量方向发生变化时，风力发电机组的偏航系统能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能.然而在主动偏航系统启动与刹车过程中，偏航系统的振动对风力发电机组的振动噪声、紧固件的疲劳寿命等方面产生严重的影响.如果其固有频率接近激励频率，系统将产生共振，则风力机在运行过程中，载荷由于结构共振而被放大，这关系到整个风电机组的安全运行.因此有必要对兆瓦级风力发电机偏航系统的振动特性作深入研究，避免共振的发生.然而，目前国内外对风力发电机组振动的研究主要集中在塔筒和桨叶方面，对偏航系统振动研究还比较少[1-3].文献[3]对兆瓦级风力机液压驱动的偏航系统进行了优化设计.文献[4]建立了塔架的扭转振动模型和运动方程，引入了摩擦失稳因子，得到塔架扭转振动失稳的条件.文献[5]从理论上对塔架进行了模态分析，在机舱与塔架耦合条件下求解塔架扭转振动的各阶固有频率与振型.文献[6]对螺栓连接非线性振动特性进行研究，将螺栓连接系统简化为弹簧、阻尼器、质量块的单自由度模型，说明了非线性方程能够较好地描述螺栓连接的振动特性.但如何采取有效措施对兆瓦级风力发电机组偏航系统进行主动偏航动力学分析仍然是主动偏航过程兆瓦级风机偏航系统性能提高的瓶颈.为此，本文针对兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航过程振动现象，从动力学角度研究偏航系统的动力学机理，并构建合适的兆瓦级风力发电机组偏航系统虚拟样机动力学模型，研究主动偏航过程偏航系统动力学规律.1偏航系统主动偏航动力学模型。

直驱永磁同步风力发电机介绍导语：永磁同步发电机由于结构简单、无需励磁绕组、效率高的特点而在中小型风力发电机中应用广泛，随着高性能永磁材料制造工艺的提高，大容量的风力发电系统也倾向于使用永磁同步发电机。

永磁同步发电机由于结构简单、无需励磁绕组、效率高的特点而在中小型风力发电机中应用广泛，随着高性能永磁材料制造工艺的提高，大容量的风力发电系统也倾向于使用永磁同步发电机。

永磁风力发电机通常用于变速恒频的风力发电系统中，风力发电机转子由风力机直接拖动，所以转速很低。

由于去掉了增速齿轮箱，增加了机组的可靠性和寿命；利用许多高性能的永磁磁钢组成磁极，不像电励磁同步电机那样需要结构复杂、体积庞大的励磁绕组，提高了气隙磁密和功率密度，在同功率等级下，减小了电机体积。

永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。

对于典型的外转子永磁同步发电机结构，外转子内圆上有高磁能积永磁材料拼贴而成的磁极，内定子嵌有三相绕组。

外转子设计，使得能有更多的空间安置永磁磁极，同时转子旋转时的离心力，使得磁极的固定更加牢固。

由于转子直接暴露在外部，所以转子的冷却条件较好。

外转子存在的问题是主要发热部件定子的冷却和大尺寸电机的运输问题。

内转子永磁同步发电机内部为带有永磁磁极、随风力机旋转的转子，外部为定子铁心。

除具有通常永磁电机所具有的优点外，内转子永磁同步电机能够利用机座外的自然风条件，使定子铁心和绕组的冷却条件得到了有效改善，转子转动带来的气流对定子也有一定的冷却作用。

另外，电机的外径如果大于4m，往往会给运输带来一些困难。

很多风电场都是设计在偏远的地区，从电机出厂到安装地，很可能会经过一些桥梁和涵洞，如果电机外径太大，往往就不能顺利通过。

内转子结构降低了电机的尺寸，往往给运输带来了方便。

内转子永磁同步发电机中，常见有四种形式的转子磁路，分别为径向式、切向式、和轴向式。

相对其它转子磁路结构而言，径向磁化结构因为磁极直接面对气隙，具有小的漏磁系数，且其磁轭为一整块导磁体，工艺实现方便；而且径向磁化结构中，气隙磁感应强度接近永磁体的工作点磁感应强度，虽然没有切向结构那么大的气隙磁密，但也不会太低，所以径向结构具有明显的优越性，也是大型风力发电机设计中应用较多的转子磁路结构。

的效率 和成本 。然后 操作者 应用 以可靠性 为 中心 的维 修 ，
可建立新 的数据 库 ，如特性值 数据库等 。典 型的特性将 是
“ 故障 间隔平 均 时 间”或 “ 障修 理平 均 时间 ” （ Ｂ ， 故 ＭＴ Ｆ
ＭＴ Ｒ Ｔ ）和可靠 性功能。操作人员也将通过 改善组件 和元件 的维修策略实现 自我价值 。
赖 性 进 行评 估 。
４ 可靠性特性数据库 ． 收集整个资产 的关 键数据 和较长一段 时间 的工作 数据
后 ，操作者 即可提取到其 资产 的弱点信息 ，以及与 之相关
１ ０
中国设备工 ｛ ｏｏ ３ 程 ２ １年０月
密 功能 连 接 。
海 工大 成 功 研 制 风 力发 电核 心 部 件
近 日，我 国大型风 电设备 国产 化迈出重要一步。 由 海军工程大学马伟明院士领衔研 制的２ ＭＷ级永磁 直驱风 力发 电变 流器 ，通 过 国家能 源局 自主创新 科技 成果 鉴 定 。专家组鉴定认为 ，该成果打破 了国外 长期 以来 的技 术垄断 ，为我国大容量直驱式风力发 电变流器技术 国产 化与产业化提供 了技术 支撑 。
（ 编 自中国风 力 发 电信 息 网） 摘
因此 ，不同重要程度 的分析将得 到不 同处 理 ，如可 以 评 估不 同风力发 电机上的相 同元件 的可靠性 以及 安装不 同 组 件的一种风力发 电机型号的可靠性 。 由于关键 数据也包
含 位置信息 ，因此要对 风力发 电机可靠性 对操作条 件 的依
对读数 、启动时 间及一 组事件原 因等 项 目。当前 工作 目标
是 使 即 存 的指 示 系 统 适 应 来 自于 风 能 应 用 必 须 的 Ｖ Ｂ电力 Ｇ

MW级直驱永磁同步风力发电机设计首先，永磁同步发电机是一种利用磁场相互作用原理直接将风能转换为电能的装置。

它具有体积小、重量轻、转速高、功率密度大的优势，因此在MW级风力发电系统中得到广泛应用。

其基本原理是利用永磁体的磁场与定子线圈的磁场相互作用，产生电磁感应，进而将风能转化为电能。

在设计MW级直驱永磁同步风力发电机时，有几个关键要点需要重点考虑。

首先是选择适合的永磁材料和磁路设计。

永磁材料的选择直接关系到发电机的磁场强度和效率，一般常用的材料有钕铁硼和钴等。

同时，磁路设计要合理，以增强磁场的均匀度和稳定性。

其次是转子结构和散热设计。

MW级直驱永磁同步风力发电机的转子受到巨大的力矩和离心力的作用，因此需要选择合适的材料和结构来保证其强度和刚度。

同时，由于转子功率密度大，会产生大量的热量，因此散热设计至关重要，以确保发电机的长期稳定工作。

此外，MW级直驱永磁同步风力发电机的控制系统也需要精心设计。

风力发电机的转速和输出功率与风速之间存在复杂的非线性关系，因此需要采用先进的控制算法来实现最大化发电效率。

此外，还需要考虑到电网连接和功率调节等方面的要求。

在设计MW级直驱永磁同步风力发电机时，还面临着一些挑战。

首先是系统的可靠性和可维护性。

由于风力发电机的工作环境恶劣，容易受到风力、温度等因素的影响，因此需要设计稳定可靠的系统来应对各种突发状况。

其次是成本和效益的平衡。

虽然MW级直驱永磁同步风力发电机具有高效率和高功率密度的优势，但其制造和维护成本也相对较高，需要综合考虑投资回报周期等因素。

总之，MW级直驱永磁同步风力发电机的设计是一项复杂的工程，需要考虑多个因素，包括永磁材料选择、磁路设计、转子结构和散热设计、控制系统以及系统的可靠性和成本效益等。

只有合理、全面地考虑这些因素，才能设计出高效可靠的MW级直驱永磁同步风力发电机系统。

未来 来 水 超 过 机 组 引 用 流 量 ．可 提 前 加 大 机 组 出力 降 低 库 水
机 组 直 接 配 套 并 提 供 符 合 标 准 的 高 品 质 工 频 电 源 ． 可 替 代
进 口 永 磁 同 步 直 驱 式 风 力 发 电 配 套 交 流 器 系 统 ． 为 我 国 大 容 量 直 驱 式 风 力 发 电 交 流 器 技 术 国 产 化 与 产 业 化 提 供 技 术 支撑 。 据 介 绍 ． 该 项 成 果 不 仅 可 以 满 足 未 来 直 驱 式 风 力 发 电
应 用 （ 向华 ） 汤 ２ＭＷ 级 永 磁 直 驱 风 力 发 电 交 流 器 制 造 成 功
阶段 ． “ 对 春检 ” “ 汛 ” 作 详 细 部 署 。 库 调 度部 门积 极 收集 、防 工 水
资 料 ． 析 水 情 做 好 调 度 方 案 ， 湖 南 镇 水 电站 机 组 满 发 创 造 分 为 条 件 提 前 做 好 库 区 雨 量 站 自动 测 报 系 统 检 查 维 护 工 作 ． 时 及 与 地 方 防 汛 部 门 和 电 网 调 度 中 心 做 好 沟 通 联 系 ． 取 较 多 的 电 争 量 计 划 ． 低 水 库 水 位 ， 解 防汛 压 力 。 降 缓 运 行值 班 人 员 加 强 与 调 度 沟 通 ． 理 安排 黄坛 口 电站 机 组 合 运 行 ． 制 黄 坛 口水 库 水 位 以 防 御 区 间洪 水 ： 强 监 控 ， 心 调 控 加 精 节 ． 证 机 组 最 佳 经 济 运 行 计 划 调 度 部 门 认 真 策 划 汛 前 设 备 保
乃 至 湖 北 省 经 济 社 会 可 持 续 发 展 都 具 有 十 分 重 要 的 年 ３ 月 ２ １ ． 中 国 水 利 水 电 第 九 工 程 局 有 限 ００ ４３

关键词 : 风力发电 , 直驱式永磁同步风力发电机组 (D2PMSG) , 混沌控制 , 滑模变结构控制
PACC : 0545 , 8610D
11 引
言
风力发电是一种很有潜力的可再生能源 ,10 多 年来得到了快速的发展 . 目前主流变速风力发电机 组有 2 种 : 双馈感应风力发电机组和直驱永磁同步 风电机组 . 国内外对基于双馈感应发电机 ( doubly fed induction generators , DFIG) 的变速风力发电技术的研 究很多 ,已经发展得很成熟 . 关于直驱永磁同步风力 发电机组 (D2PMSG) 的研究则相对较少 ,但其以效率 高、 噪声小 、 发电机结构简单和维护工作量小等特 点 ,在风力发电领域受到了越来越多的重视 . 近年来 ,永磁同步电动机 ( PMSM) 的稳定性 、 可 靠性研究受到了人们广泛关注 , 这是由于 PMSM 在 某些参数及工作条件下会出现混沌运动 , 其主要表 现为转矩和转速的间歇振荡 ,控制性能的不稳定 、 系 [1 ,2 ] 统不规则的电磁噪声等 . 电机中混沌现象的存在 严重影响 PMSM 的稳定工作 , 因此如何控制和消除 这种混沌现象已成为人们所关注的研究课题 . 由此 可以推想 ,直驱永磁同步风力发电机在某些参数及 工作条件下会不会出现混沌运动 ? 本文对此进行了 数学模型的推导 , 得出了结论并且提出了相应的混
CB 为可逆方阵 .
= 45192 , ( x ( 0) , y ( 0 ) , z ( 0 ) ) = ( 20 ,011 , - 5 ) , 采用
四阶龙格 2库塔算法 ,取积分步长 Δt = 0101 , 双精度 数值求解 ( 9) 式 , 系统呈现混沌状态 . 混沌吸引子如 图 2 所示 ( 其中 x , y , z 无量纲) .

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910791225.6(22)申请日 2019.08.26(71)申请人 广东工业大学地址 510006 广东省广州市番禺区大学城外环西路100号(72)发明人 卓叶林　杨俊华　(74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限公司 44102代理人 张金福(51)Int.Cl.F03B 13/18(2006.01)F03B 15/00(2006.01)F03B 11/00(2006.01)(54)发明名称一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法(57)摘要本发涉及一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，包括：根据直驱式波浪发电系统的发电原理，通过受力分析和幅频特性曲线分析从波浪能获取最大功率的控制特性，利用电压前馈补偿方法解耦电压电流，降低系统阶数，得到PMSLM的d -q轴数学模型；再利用反步法完成整个系统控制率设计和Lyapunov函数稳定性分析，证明实现最优功率跟踪的可行性；同时为解决变速系统常规控制方法中存在的控制精度不高、高频纹波含量大的问题。

仿真结果表明，基于卡尔曼滤波的波浪发电系统反步法能实现最优功率控制策略，不仅具有较高的控制精度，还能有效滤除高频波纹和噪声；响应速度快、抗干扰能力强、鲁棒性强。

权利要求书4页 说明书11页 附图5页CN 110594079 A 2019.12.20C N 110594079A1.一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：根据直驱式波浪发电系统发电原理，获取最大功率控制特性；S2，利用电压前馈补偿方法对电机状态方程进行解耦，得到永磁同步直线电机的d-q轴数学模型；S3：用反步法通过选择合适控制率，以实现最大波浪功率跟踪控制，并论证其可行性；S4：提出卡尔曼滤波方案，对常规反步法进行优化改进，设计基于卡尔曼滤波的反步控制方法，搭建最优功率跟踪控制振荡浮子式波浪发电系统，实现直驱式波浪发电系统的最优功率控制。

永磁风力发电机书籍
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1. 《永磁风力发电原理与技术》- 杨玉涛
该书全面介绍了永磁风力发电机的原理和技术，包括永磁材料、电机结构、电磁理论等内容。

2. 《永磁风力发电机》- 崔海滨
该书详细介绍了永磁风力发电机的设计、制造和测试方法，是一本理论与实践相结合的实用指南。

3. 《永磁同步发电机设计与应用》- 沈有鹏
该书重点介绍了永磁同步发电机的原理、设计和应用，包括双馈风力发电机和直驱风力发电机等内容。

4. 《永磁发电机技术与应用》- 赖建民
该书综合讲解了永磁电机的原理、设计和应用，包括永磁同步发电机的磁路设计、控制系统设计等方面。

5. 《风力发电技术与应用》- 梁觉
该书介绍了风力发电的基本原理、发展现状和关键技术，其中包括永磁风力发电机的设计和应用。

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2兆瓦永磁直驱风力发电机研制介绍北京湘电科技有限公司摘要：由湘潭电机股份有限公司出资组建的风力发电合资公司，从荷兰引进了风力发电系统的成套技术，其中发电机为ABB生产的永磁直驱发电机。

由于ABB 公司无法保证按时供货而且电机价格昂贵，风力发电合资公司委托湘潭电机股份有限公司开发替代现有ABB电机的永磁直驱发电机。

在设计上，集合了国内优良资源，组成产学研一体的设计团队，采用先进的有限源分析方法，着重解决了磁钢化学退磁、减小定位阻力矩、减小谐波在转子中损耗以及参数优化等技术问题。

在工艺上，对定子热套浸漆、定转子装配进行了工艺研究。

经过样机试验，效果较好。

一.风电发展现状1.国外风力发电机的发展现状欧盟，风能处于新能源的领头羊地位«2007年在欧洲，风电大约占「新发电转机的理0% I惠国止如5年聲CS生隆』盟i+凤區妾拥♦全球风电拽术竝先进前国室'2007年.％电装礼穿量占全球的凸篦*耒自闪匪的电力相当于皑国2007年电力恩消费的7•誤■出口成为体主製斑氏点＞西班牙2. 国内风力发电机的发展现状"丰富的凤力宥睥 风电唸展具苜良好的请產基础 /持许枝机制 2003年，法改京推讦风电持许税町目， 扩大了皿电幵发规權，礎髙了園产i 殳备制遗能力 v 营理技术拥经脸 在凤电开笈询i 殳方面’中国已琲成100窟风电场.掌feTH 电场运厅管理的拦术和经验 Z ＞可再生能廐法” 2006^开溶《可再主皑源法* 正式生效*衣大胆进丁风电产业的发展/井网凤电场喪展 中国祁网珂电卑人规樓化发展的祈 讲段*离网凤电也初其规粮*最愷时机 研瞇风力发电系统，尽快埔小找国斑力 发电与世界风力发电技术水平之间的筆師，促进我回风 电产业的住展，冃前1E 面临最隹时机肾美国*2007年，在世界范围的凤电息转机中排行第三・芙園新賛机息命连续三年社于世界 领光地应007年,全園的总按机达SIT 15145兆瓦,-2007^,凤怖雙机点盘达到了吒, 町以酒展西班牙全国电力需求的10%..】逊・srg 曹型督呼虧tHL 葩就饴81?兀礼,代卩于愿剛工居世一器弟—一 竝血 阵基m 產IE 』E 比凤电赛m 畐益常计莲机容■＞印度■印度新安装了173仆北瓦，总装机虽九约”丹麦再上风能资源丰富，是世界凤龍利用的先行者•居世界第四■2007年底风电装机容量为3130MW.凤电占其总笈丄勺沁二刘口工年月夷年底『雪U 因卑霁1EL 会蚤• 20"年，全囲祈馥帆容註达3304MW,比2006^増长率为147」％"总裟机量也排利了世界第五3. 预测短期:预测T2》蔵至z 仇为年，欧制购淮续占据主导地［立> 200y 年仇后'全球风削竞争力进一步加强并美洲'尤其是美国悔在爾隔期耒期软力于风电发展>东南亚快迪眉长.尤其是巾度和中国长期预測.并河计利2014年底，全球盟计安猥星达235OOOMW ,凤电占全球总供电鼠市场的23 ： > 201丘革我国凤力发电观樓达J1115OO7T 千瓦，年4000万千瓦.实现全国电力装机，总量3站>凤电装机客量以平均毎年S"啤的速度通増， 有虫成为世邸最大的凤电市场4. 风力电机发展趋势•臥累计市场帯颍看，內懐与外修企业存在&】％的蓋距_____ E EZ 风力瞪电机奄量也歳展霑趣N ___________Annual Wind Power Development 3当前，风力发电索统发赳机单机容量越来越大，有利干减少占地，降低并网成本和单位功率造价，兆瓦纺风力发电机将在风电场中占主导地位失速调节/、主动失弓/A、定速、\金变速控制jfA齿轮箱0LJ w J变桨距调节变速调节i©\无齿鸵箱•风力发电机芷在逐步实现直驱化，这是一种很有发展前逢的技术*雇于国际前沿托进项目•取消增速齿轮箱，电机轴直接连接到凤机轴上，转速萌风速而改变t其交流电的频率随之变化，经过亶于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电■在所有的风况下都能荻得较丈的空气;动力数率’提高了捕捉凤能的效率。