MW级直驱永磁同步风力发电机的电磁设计

MW级直驱永磁同步风力发电机的电磁设计 I

摘 要

由于永磁同步发电机结构简单、无需励磁绕组、效率高，因而在中小型风力发电机中得到广泛的应用。并且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。且直驱式具有总体积小、效率高、安装和维护费用低、可靠性高、对风能波动和负载变化反应快等优点。本课题选择内转子永磁同步发电机作为设计类型,先通过电磁计算确定永磁同步发电机的基本参数，进行电机的初始设计；再分析电机在各种运行状态下的性能，在此基础上设计电机的通风系统并进行通风计算及分析；最后完成MW级直驱永磁同步风力发电机的电磁设计。本课题旨在研究目前已在国外处于主流地位的MW级永磁风力发电机，熟悉大型风力发电机设计的特点，并且大力发展风电技术对于解决能源危机、缓解环境污染状况都有十分重要的意义。

关键词：风力发电，永磁同步发电机，直接驱动，内转子，通风冷却

MW级直驱永磁同步风力发电机的电磁设计 II

ABSTRACT

As the permanent magnet synchronous generator is simple, no excitation winding, high efficiency, so it is widely used in the medium and small wind generators. With high-performance permanent magnetic materials and manufacturing processes improved, large-capacity wind power systems tend to use permanent magnet synchronous generator.And has a total volume of direct drive, high efficiency, low cost installation and maintenance, high reliability, wind power fluctuations and load changes and quick response.Therefore, I choose the Inner Rotor Permanent Magnet Synchronous Generator as my design types. first I identified the basic parameters of permanent magnet synchronous generator by electromagnetic computing, for the initial motor design; further analysis the motor performance under various operating conditions. in this Based on the design of electrical and ventilation systems for ventilation calculation; Finally, analysis of the the results is to complete MW class direct drive permanent magnet synchronous wind turbine design.the study of this issue now is in a mainstream position in foreign country to MW-class wind turbine permanent magnet, and my aim also are familiar with the characteristics of large-scale wind turbine design . Of course, developing wind power technology for solving the energy crisis, environmental mitigation conditions are very important significance.

Keywords: wind generation, permanent magnet synchronous generator, direct-driven

inner-rotor, air-cooling

MW级直驱永磁同步风力发电机的电磁设计 III

目 录

1 绪论 ........................................................................................................... 1

1.1 风力发电的意义 ...........................................................................................................1 1.2 风力发电机的种类 .......................................................................................................2 1.3 本课题研究的意义和主要研究内容 ...........................................................................3 1.4 本章小结 .......................................................................................................................4

2 风力发电机选型 ......................................................................................... 5

2.1 风力发电机的发展现状 ...............................................................................................5 2.2 各类风力发电机类型比较 ...........................................................................................5 2.3 主要设计目标 ...............................................................................................................6 2.4 永磁风力发电机的设计特点 .......................................................................................7 2.5 本章小结 .......................................................................................................................7

3 风力发电机的电磁设计.............................................................................. 8

3.1等效磁路法简介 ............................................................................................................8 3.2 电机使用材料的选择 ...................................................................................................8 3.3 永磁同步发电机基本参数的确定 ...............................................................................9 3.4电磁设计 ...................................................................................................................... 11 3.5 本章小结 .....................................................................................................................28

4 MATLAB仿真和曲线图 ........................................................................... 29

4.1 计算机仿真 .................................................................................................................29

4.1.1 计算机仿真的概念 ...........................................................................................29 4.1.2 本课题采用的工具和分析方法 .......................................................................30 4.2 仿真与曲线图 .............................................................................................................32

4.2.1仿真框图与曲线图 ............................................................................................32 4.3 本章小结 .....................................................................................................................36

5 结论 ......................................................................................................... 37 参考文献...................................................................................................... 38 致谢 ............................................................................................................. 40

MW级直驱永磁同步风力发电机的电磁设计 1

1 绪论

1.1 风力发电的意义

目前，在全世界范围内，风力发电发展势头迅猛。从1996到2004年，风力发电装机容量的年平均增长率达28%。截止到2004年底，全世界并网型风力发电机累计装机容量已达到4532万kW。已经有越来越多的国家把发展风力发电作为未来电力投资的重点。之所以各国如此大力发展风电技术，是由于风力发电对于解决能源危机、缓解环境污染状况都有十分重要的意义[1]。

（1）能源危机。目前世界能源主要来自石油、煤、天然气和核能。煤炭、石油、天然气属于不可再生能源，终究会被开采完毕；核能发电的关键问题是如何处理核废料，其处理费用远高于建造成本。现在地球人口约60亿，到21世纪中叶，预计将达到100亿人。单从人口增长的数字来看，能源消费的增长将是非常惊人的。随着社会的发展和人类对能源需求量的不断攀升，人类正面临资源枯竭的压力。可以预见，在不久的将来，各国对能源的争夺，会是全球冲突的主要原因。解决能源危机的办法，一是提高燃烧效率以减少资源消耗，或者开发新材料、新工艺，最大限度的实现节能；二是开发新能源，积极利用可再生能源。前者虽然能有效地提高能源利用率，但终究是建立在消耗不可再生资源来发展生产的基础上，不能从根本上解决能源短缺的问题，而开发利用可再生能源扩展了能源的获得途径，是一种可持续的发展方式。

（2）环境污染严重。从化学成分上而言，煤、石油和天然气等化石能源的主要成分是碳。这些化石资源的消耗直接导致了温室气体——二氧化碳排量的增加，引起全球变暖。同时，化石能源中含有的少量元素汞、硫、铅等，燃烧后会生成二氧化硫、氮氧化物等有害气体，这些有害气体污染空气，毒化水质，且能够形成酸雨，对人畜和其他生物极为有害。

（3）风力发电的优越性。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳光照射到地球表面上，地球表面各处受热不均，产生温差，从而引起大气的对流运动，形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。作为可再生能源的风力资源以其蕴量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染等优势而在各国迅速发展。虽然风能资源还有密度低、不稳定、地区差异大等缺点，但是仍然不能阻挡其快速发展的强劲势头。目前，美国的风力发电年增装机容量已达到150万～160万kW；丹麦约45万kW；荷兰约15万kW；印度约8万kW。但是风电占电网电量的比例还不算大，只有丹麦占3%。但从规划来看，到2000年，丹麦要占5%；英国、德国、西班牙、法国、日本、加拿大、印度都制定了加快风电发展的计划。

MW级直驱永磁同步风力发电机的电磁设计 2

（4）风力发电对于中国，意义尤为突出。燃煤发电一直是我国电力供应的主体。虽然我国煤炭产量占世界总产量的36.5%，但煤炭储量只占世界总储量的13%，煤炭发电能否满足我国经济的快速发展，仍是个很大的问题。需要指出的是，煤炭发电对环境的污染有着很大的影响。国家环境保护总局指出，2002年燃煤电厂二氧化硫排放量达到666万吨，占全国排放总量的34.6%。严格控制燃煤电厂二氧化硫排放对实现全国二氧化硫总量控制目标至关重要。从近年来的发展情况来看，在保持经济发展持续增速的条件下，我国的石油使用量每年有将近八千万吨的进口量。中国2004年新投产的电力装机容量破世界纪录，但同时全国却仍然发生大范围拉闸限电现象。形成这种巨大反差的基本原因是，快速增长的电力供给赶不上更快速增长的电力需求。

在我国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿作用。另外在我国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省鄱阳湖地区以及湖北省通山地区。沿海发达地区和西北地区都是我国风能资源分布的丰富区。如果能够充分开发地区的风能优势，则风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电力短缺的难题。在西北经济落后地区发展风电，既可以提高当地人民生活水平，又可以增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度[2,3]。

1.2 风力发电机的种类

根据研究出发点的不同，风力发电机通常有不同的分类。按照风力发电机的功率等级来分，可以分为小型风力发电机（100W—1kW）、中型风力发电机（1 kW—100kW）、大型风力发电机（100 kW—1000 kW）和特大型风力发电机（1000 kW以上）按照风轮轴的不同，风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发按照风力发电机与供电网络的关系可以分为并网型风力发电机和独立型风力发电机，并网型风力发电机一般是指以机群布阵的、组成风电场运行的中、大型风力机，一般一座风电场的装机数量为几十台至上千台,装机容量为10万kW左右。独立型风力发电机一般是指单台机独立运行工作的中、小型机,专供家庭或小单位使用。按照风力机和发电机之间的驱动关系，可以分为双馈式、直驱式和混合式。

双馈式多指通过多级增速箱驱动双馈异步发电机。风力机为低速运转的动力机械，在风力机和异步发电机转子之间，经增速齿轮传动来提高转速以达到适合异步发电机运转的转速。通常这种发电机的极数不是很多，以保证异步发电机的转速超过1500或1000r/min，这样电机就能运行在发电的状态。直驱式直风力机直接拖动电机的转子旋转发电，这样的电机转速很低，通常为多极的同步发电机，例如电励磁同步发电机、永磁同步发电机等。直驱式具有总体积减小、效率提高、安装和维护费用低、可靠性高、对风能波动和负载变化反应快等优点，已逐渐成为风力发电机设计的一个重要方向。混

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