基于盘式无铁心永磁同步发电机的海流能发电系统研究

【摘要】：在新能源开发利用中，海流能发电技术越来越受到研究人员的重视，因而发展十分迅速。但是海流能发电技术的推广与应用也受到了一些因素的制约，其中问题最为突出的是海流能发电装置中的发电机选取与设计。本文基于这个问题，响应国家《全国科技兴海规划纲要（20082015年）》的号召，以渤海湾为研究背景，重点研发了适用与海流能发电用的发电机以及相应的控制系统。 本文首先详细分析海流能的主要特点以及对发电系统的要求，并详细比较各类型发电机的优缺点，然后结合本课题组的研究优势，提出了适用于海流能发电的盘式无铁心永磁同步发电机。该类型发电机的无铁心、外转子结构，能使其具有发电效率高，起动阻力矩小等特点，非常适合在低速海流能发电中应用。本文根据盘式无铁心永磁同步发电机的基本原理，设计出了一台300W实验样机，并利用有限元法(FEM)仿真软件对其进行了电磁场仿真，最后通过对其在不同负载或不同海流速度条件下的输出特性进行实验验证，证明了样机的适用性。 由于海流速是实时变化的，因而其发出的电能频率不稳定，需要经过变流器件后才能并网供电。本文专门针对盘式无铁心永磁同步发电机，设计了一套直驱式海流能发电系统控制策略，它采用背靠背型(back to back)结构式的双PWM变流器模式。本文分别对电机侧和电网侧的变流器设计出了有效的控制策略。最后，利用Matlab/Simulink电力系统仿真软件搭建了该系统仿真模型。仿真结果表明，本文设计的基于盘式无铁心永磁同步发电机的直驱式海流能发电系统控制策略能有效地将海流能转换为电网适用的电能。 【关键词】：海流能发电 盘式无铁心 永磁同步发电机 FEM 双PWM控制 仿真与实验
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM31
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 选题背景和意义8-9
• 1.2 海流能的主要特点9-10
• 1.3 海流能发电的国内外现状10-12
• 1.3.1 国外研究现状10-11
• 1.3.2 国内研究现状11-12
• 1.3.3 海流能发电中存在的问题12
• 1.4 海流能发电用电机选型12-14
• 1.4.1 发电机的主要类别12-14
• 1.4.2 海流能发电系统中的发电机类型14
• 1.5 海流能发电系统14-15
• 1.6 本文的主要工作15-16
• 第二章 盘式无铁心永磁同步发电机的基本理论16-28
• 2.1 盘式永磁同步发电机的结构类型16-18
• 2.2 盘式无铁心永磁同步发电机的基本原理18-21
• 2.2.1 盘式无铁心永磁同步发电机的基本结构18-19
• 2.2.3 Halbach 永磁体阵列19-21
• 2.3 盘式无铁心永磁同步发电机的基本原理21-24
• 2.3.1 盘式无铁心永磁同步发电机的主磁路21-22
• 2.3.2 盘式无铁心永磁同步发电机的基本电磁关系22-24
• 2.4 盘式无铁心永磁同步发电机在海流能发电中的适用性24-26
• 2.5 电机低起动阻力矩分析26-28
• 第三章 海流能用盘式无铁心永磁同步发电机设计28-45
• 3.1 电机主要尺寸确定28-31
• 3.1.1 极数的确定28-29
• 3.1.2 磁极尺寸的确定29-30
• 3.1.3 背铁厚度的确定30-31
• 3.2 300W 盘式无铁心永磁同步发电机样机31-34
• 3.2.1 样机外观31
• 3.2.2 样机参数31-32
• 3.2.3 样机加工32-34
• 3.3 基于有限元方法的盘式无铁心永磁同步发电机静态磁场分析34-37
• 3.3.1 有限元方法及仿真过程34-35
• 3.3.2 盘式无铁心永磁同步发电机静态磁场分析35-37
• 3.4 300W 盘式无铁心永磁同步发电机样机实验37-45
• 3.4.1 发电机稳定工作状态的计算37-39
• 3.4.2 实验介绍39-40
• 3.4.3 恒速运转下的输出特性40-41
• 3.4.4 变速运转下的输出特性41-43
• 3.4.5 额定转速下的输出电压波形及其谐波分析43-44
• 3.4.6 实验小结44-45
• 第四章 基于盘式无铁心永磁同步发电机的海流能发电系统运行控制策略45-59
• 4.1 直驱式海流能发电系统的基本结构和运行原理45-46
• 4.2 海流能发电系统的数学模型46-53
• 4.2.1 海流速的数学模型46-47
• 4.2.2 海流能发电系统叶轮机的数学模型47-48
• 4.2.3 中间传动系统的数学模型48
• 4.2.4 永磁同步发电机的数学模型48-50
• 4.2.5 直流环节（DC-DC）数学模型50-51
• 4.2.6 变流器的数学模型51-53
• 4.3 发电机侧的控制策略53-55
• 4.3.1 海流能最大功率跟踪控制工作原理53-54
• 4.3.2 电机侧变换器矢量控制策略54-55
• 4.4 电网侧的控制策略55-59
• 4.4.1 电网侧变流器的基本工作原理55-57
• 4.4.2 电网侧的矢量控制策略57-59
• 第五章 基于盘式无铁心永磁同步发电机的海流能发电系统仿真分析59-68
• 5.1 仿真软件的介绍59
• 5.2 海流能发电系统仿真模型59-64
• 5.2.1 海流能发电系统总体仿真模型60
• 5.2.2 海流能原动机仿真模型60-61
• 5.2.3 盘式无铁心永磁同步发电机仿真模型61-62
• 5.2.4 电机侧控制模块模型62-63
• 5.2.5 电网侧控制模块模型63-64
• 5.3 仿真结果与分析64-68
• 第六章 结论与展望68-70
• 参考文献70-73
• 发表论文和参加科研情况说明73-74
• 致谢74

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