胡丽莎
中车永济电机有限公司 山西永济 044500
摘 要：兆瓦级直驱永磁同步风力发电机系统运行中电机性能会受到斜槽宽度、永磁体厚度、气隙长度、极弧系数、铁心长度的影响，针对此，运用了多目标和多变量的耦合寻优方式，确定出电机优化参数和绕组接线方式，以追求此类型发电机的最优，提高电机的效率和转矩，还可减少齿槽转矩和谐波。
关键词：兆瓦级；直驱永磁；同步风力发电机系统
随着电力需求的不断增长，大规模风力发电系统应运而生，其中兆瓦级的直驱永磁同步风力发电系统是典型代表，一般用在海上，是一种直驱式永磁同步风力发电机，简称为PMSWG，最为明显的优势为高可靠性、高效率、清洁度高，因此受到了各个国家研究者的喜欢。可是兆瓦级别的电机需要一个与之相配的高性能电机系统，硬件研制成本以及调试成本都非常高，为此，针对其的电机设计、控制优化方面的研究，从而提高发电机的效率，更有效地抑制谐波输出，从而使得此种类型的发电机可在更广泛得范围内应用。
1、研究背景
最近几年，各个国家在电机设计和优化方面的研究越来越重视，呈现出不同的研究方向。部分研究中显示，针对不同工况和功率下，永磁发电机应用了各种的电磁设计和参数，对于其自身性能的影响进行相应研究，此时得到了结论，气隙长度、极弧系数、铁心长度、同永磁体的厚度，对于发电机齿槽的转矩、发电机谐波和损耗以及电磁转矩所产生的影响有一定的规律[1]。
2、分析发电机设计的优化
2.1发电机尺寸参数的改变
以国家标准为参照，大转矩、高效，齿槽转矩小、谐波啊畸变，这些因素一定会影响到兆瓦级直驱永磁同步风力发电机在全风速下最大功率追踪和柔性并网时的最为重要的指标。
正常情况下，电枢斜槽的时候，相对应的齿槽转矩可依据公式推导出来，并且，电机损耗和电磁转矩之间也保持着对应的关系，最终得出：电机转矩和发电机效率受到很多参数耦合后的影响，包括斜槽宽度、永磁体厚度、气隙长度、极弧系数、铁心长度等等。所以，将需要改变的变量确定为斜槽宽度、永磁体厚度、气隙长度、极弧系数、铁心长度等，约束的条件就是大转矩、发电机高效、齿槽转矩同谐波畸变小，进而研究出这些参数对于发电机性能产生的影响，运用多目标、多变量耦合寻优的方式，模拟出发电机性能最好时尺寸参数是多少。
第一，研究铁心长度会对电机的性能产生什么影响：以电机几何相似，设定合适的主要尺寸参数，模拟永磁同步发电机，设定铁心长度的范围，0.7m到1.2m，逐渐进行优化，收集到铁心长度对于电机齿槽转矩同额定转矩、齿谐波和损耗之间的影响。齿槽转矩和铁心长度保持正比例关系，增加铁心的长度，可以适当降低损耗，可以有效地削弱转矩，当铁心长度是0.9m的时候，损耗为最小值。
第二，研究极弧系数会对电机的性能产生什么影响：将铁心长度确定为0.9m，模拟出永磁同步发电机，并设定极弧系数变化范围0.7到0.8之间，从而可以分析出极弧系数作用到电磁转矩、电机齿槽同效率上的影响。极弧系数和电磁转矩以及损耗保持正比例关系，但是同齿谐波保持反比例关系，极弧系数是0.715的时候，造成的损耗是最小的；而当极弧系数是0.785的时候，齿谐波和齿槽是最小的。
第三，气隙长度会对电机的性能产生什么影响：以上述最优参数为基础，模拟永磁同步发电机，设置气隙长度变化范围，从1mm到9mm，结果表明气隙长度和齿谐波保持反比例关系，延长气隙长度，会增大电磁转矩，降低电机的损耗，在9mm或者1mm的时候，齿谐波是最小的时候。
第四，永磁体厚度会对电机的性能产生什么影响：同样以上述最优参数为基础，模拟永磁同步发电机，确定永磁体厚度的变化范围，从1mm到9mm，结果表明，永磁体的厚度和齿谐波之间保持反比例的关系，可适当地提高永磁体的厚度，当厚度是9mm或者1mm的时候，齿谐波是最小的时候。
第五，定子斜槽会对电机的性能产生什么影响：同样以上述最优参数为基础，模拟同步永磁发电机，设定斜槽宽度的变化范围，从0mm到1.0mm。结果显示，定子斜槽的宽度和电磁转矩以及损耗保持正比例关系，而与齿谐波保持反比例关系，最优值是1.0mm，此时齿谐波为最小。
2.2计算发电机参数
根据上述研究结果，运用多目标、多变量的耦合寻有设计方法，给出了永磁发电机结构和尺寸参数，见图1，其中定子和转子确定为梨形斜槽，也确定双向斜极，并给出尺寸参数和绕组接线图，见图2。
3、未来研究方向
通过以上内容的总结，针对兆瓦级直驱同步永磁风力发电机系统的分析，主要以电机相似性和性能为基础，研究运用多变量和多目标耦合的条件下，斜槽和斜极结构的每分钟200转的360kw、600v的永磁同步发电机在尺寸参量上的优化，从而提高发电机效率和转矩，为降低齿槽转矩以及谐波而努力[2]。
对于电机高性能的控制方面，有一些研究指出，以永磁发电机的线性模型为基础，对机侧系统的双闭环PI控制结果和参数的整定做了相关模拟试验，结果显示，PI控制模型有着非常强的依赖性，不适合用在兆瓦级别的风电调试中，因为会让整合调试的成本非常高，研究的时间也非常长。为解决该问题，从另一个角度出发进行了模拟试验，运用有限元法构建电机模型，并含义场路耦合仿真对发电机动态启动过程，分别是四个不同的电磁耦合和不同风速的影响对于参数摄动造成作用的情况下，从而验证出系统可实现的最大功率追踪可行性[3]。
结束语：
综上所述，本文主要分析了电机结构和尺寸参数，作用到电机效率、转矩、谐波性能、齿槽转矩等方面上的影响规律，运用了多目标、多变量耦合寻优的方式，得到了能让电机性能保持最佳的永磁体厚度、气隙长度、极弧系数、斜极结构、斜槽宽度等等，但是电机性能会受到大量尺寸参量耦合以及结构的影响。
参考文献：
[1]林立, 何洋, 周建华, et al. 兆瓦级直驱永磁同步风力发电机系统研究[J]. 微特电机, 2020, v.48;No.348(01):16-20+24.
[2]浦清云, 黄守道, 黄科元. 兆瓦级永磁直驱无传感器风力发电系统仿真[J]. 计算机仿真, 2011, 28(006):308-311.
[3]陈明亮, 袁雷, 肖飞,等. 兆瓦级永磁直驱风力发电模拟实验系统设计[J]. 电力系统自动化, 2015, 000(015):132-136.