兆瓦级永磁风力同步发电机的研究与设计.pdf

硕士学位论文 摘 要 随着世界人口和能源问题的加剧，各国都普遍意识到开发新能源的必要性与紧迫性而风力发电以其无污染、用之不竭的优点日益受到人们的青睐，各国学者竞相研究风力发电技术近年来，采用新型发电机以变速恒频的方式运行，提高风力发电机组的输出功率成为风电系统研究的热点风电系统中的发电机正向着提高系统可靠性，降低维护量，减少组件，降低成本，提高系统效率和集成度的方向发展 兆瓦级永磁同步发电机可以由风力机直接驱动，它具有结构简单、通风效果好、转速低、转动惯量大、可靠性高和效率高等特点，比较适用于直驱式的风力发电系统中 本文对国内外风力发电研究历史及现状作了较为全面的综述，详细介绍了风力发电机的研究现状和发展趋势；详细的分析了永磁同步发电机的转子磁路结构和工作原理，并对永磁同步发电机的运行性能做了重点分析；详细分析了兆瓦级永磁同步发电机的结构特点，根据兆瓦级永磁风力同步发电机特点的要求，对电机主要尺寸的选择、电磁负荷的选取、转子磁路结构及永磁材料的的选择以及定子冲片、电枢绕组的选用依据进行了详细分析；在一般的永磁同步发电机设计方法的基础上，运用 Ansoft 公司的 RMxprt 电机设计软件设计了兆瓦级永磁风力同步发电机的样机，并分别对样机与独立电阻负载连接和与无穷大电网连接两种不同负载情况进行了参数化分析，确定了一个较优的设计方案；运用电磁场有限元分析软件 Maxwell 2D 对兆瓦级永磁风力同步发电机的电磁场进行了详细的分析，分别分析了在静态和瞬态的求解区域下发电机的静态磁场、空载磁场和额定负载磁场，验证了用 RMxpr 电机设计软件所设计的电机方案的合理性。

关键词：风力发电；永磁发电机；电磁场；有限元 II兆瓦级永磁风力同步发电机的研究与设计 Abstract With the increasing of world population and deteriorating of the energy resource problem, all countries come to realize importance and urgency of imploring new sources of energy. Wind power generating is greatly favored because of its character of no pollution and inexhaustibility. Nowadays, using variable speed constant frequency (vscf) generation technology to improve the output power of wind power generator is becoming the research hotspot of wind power system. Wind power generator is developing to the direct of having high reliability, low maintenance and cost, high efficiency. MW permanent magnet synchronous generator with simple structure, so good ventilation, large moment of inertia, high reliability and high efficiency can be droved directly by wind power machine. It can be used in the direct-drive wind power generation. In this paper, the research status of the wind power generation is summarized. The study history and developing future of the wind power generator are introduced. The rotor magnetic circuit structure and work principle of the generator are studied in detail, the function capability of it is analysied mainly. According to the characteristic of the MW permanent magnet synchronous generator, the paper studies the choosing of the main dimension of the generator, electromagnetic load, rotor magnetic circuit structure, magnetic material and armature winding. Based on the common design method of the permanent magnet synchronous generator, the paper uses RMxprt software of Ansoft Company to design the MW permanent magnet wind power synchronous generator. The modle of the generator has two different loads, one is independent resistance load and the other is infinity electrical network load. The two different loads are parametric analysed. The MW permanent magnet synchronous generator’s static electromagnetic field and transient electromagnetic field have been analyzed in detail by the Maxwell 2D. The result of analysis compared with the calculative result of the RMxprt confirmed the validity of the MW permanent magnet wind power synchronous generator. Key Words: Wind Power Generation; Permanent magnet Synchronous Generator; Electromagnetic fields ; FEM III湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1、保密□，在______年解密后适用本授权书 2、不保密□ （请在以上相应方框内打“√” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 I硕士学位论文 第 1 章 绪 论 本章简要介绍了国内外风力发电技术的发展、现状及风力发电机的研究现状和发展趋势，本文选题的背景、意义及主要研究内容 1.1 风力发电的国内外发展现状 随着国际工业化的进程，全球气温逐渐变暖，环境污染日益严重，支撑工业化进程的能源、电力所主要依靠的化石燃料在地球上的储藏消耗越来越快，常规能源资源面临枯竭的危险，20 世纪 70 年代世界连续出现了石油危机，现代新能源和可再生能源的发展问题摆在了世界各国的面前。

为了不使地球再遭破坏，由联合国主持召开的日本东京和阿根廷布依艾若斯国际环境会议，要求各工业国按照会议达成的协议有计划有步骤地降低二氧化碳等温室气体的排放量， 这也是一个全球可持续发展的战略问题 “开发利用可再生能源，改善能源结构，减排温室气体，保护环境”已成为了世界各国政府的共识一场世界性的开发利用新能源的浪潮已经到来[1] 新能源和可再生能源包括水能、生物质能、太阳能、风能、地热能和海洋能等，它们消耗之后可以得以恢复补充，不产生污染物其中，人类对风能的利用已有数千年的历史，在蒸气机发明以前风能曾经作为重要的动力，诸如埃及、荷兰、丹麦等国都是世界上较早普遍利用风能的国家，古埃及利用风能磨粮食18 世纪中叶，荷兰就有了 2000多座用于抽水等用途的风车 地球上可以利用的风能为 106MW，可利用风能是地球上可利用的水力的 10 倍[2]因此，在可再生能源中，风能是一种非常可观的、有前途的能源风力发电（简称风电）作为一种绿色电力，受到广泛的关注，风力发电和水力发电一样，都是一次能源的开发和建设同时完成，没有火力发电所需要的煤炭、石油、天然气等化石燃料的开采和运输的大量建设与巨额投资风力发电具有资源蕴藏量巨大、可以不断再生、无污染物排放以及建设时不淹地、占地少、周期短、规模灵活等诸多优点。

风力发电随着风电技术的的发展和批量的增大，成本将会继续下降，必然成为重要的清洁能源而风力发电也存有风能利用率低及具有随机性、不稳定和分布的不均匀性等缺陷[3] 1.1.1 国外风力发电发展现状 1890 年，丹麦人研制了风力发电机，1891 年建立了世界上最早的风电场但是，当时这一新生事物未能引起世人关注，直到 20 世纪 70 年代以后风力发电才进入了一个蓬勃发展的阶段近 20 年来，发达国家在风能的开发利用方面已取得了惊人的成就，20世纪 80 年代问世的现代并网风力发电机组， 只经过几年的发展便迅速实现了商品化、 产- - 1兆瓦级永磁风力同步发电机的研究与设计 业化、到 90 年代中期已形成了一个规模巨大的风力机行业截至 2001 年年底，全世界各大洲风力发电总装机容量已达到 2.4 万MW左右，专家们预测，这标志着世界风电进入快速发展时期，世界风力发电机组装机容量将继续以每年高于 25%的速度递增，到2010 年，全世界风力发电机组装机容量将突破 100GW德国到 2001 年装机容量为8000MW，名列首位，占世界风电装机容量的 30%美国装机容量已达 4000MW，名列第二。

西班牙为 3300MW，名列第三丹麦装机容量 2650MW，英国为 650MW，中国为 400MW，排列第八位[3] 近年来，风力发电技术在世界各国迅猛发展，特别在注重环保的欧洲国家，国家对风力发电实施优惠政策，倍加鼓励，发展很快，发展规划也不断修改，步伐加大比如欧洲 1997 年重新制订的近期发展规划比原来 1991 年的调了一番在欧洲过去 10 年间，风力发电机组总装机容量增加了 10 倍，风力发电成本下降了 60%，北欧一些国家风电已占到总发电容量的 5%～10%欧洲风能协会分析指出，与其他地区相比，欧洲的风能发电发展最快，欧洲风。