定转子模块化高温超导风力发电机多物理场及其运行行为研究

The project presents a modular stator-rotor High Temperature Superconducting (HTS) wind generator, both the stator and rotor are designed modularly, which can effective reduce the installation and maintenances. The contents are focused on the design mechanism of the modular stator-rotor wind generator, influences of time-space lapping flux on the electrical characteristics and ac loss of the HTS windings, variation regulations of multi-physical fields and operation behaviors of the wind generator operating under condition of missing modules. By through the research on the influences of the modular topologies on the multi-physical fields, the theorical design system of the modular stator-rotor HTS wind generator can be constructed, which can provide a theorical foundation for the design of the modular stator-rotor HTS wind generator. Then, the influences of the time-space flux lapping regulations and the lapping flux on the critical characteristics and ac loss are also investigated, which can solve the complicated scientific issues that the safe operation border of the HTS windings operating at the complicated electromagnetic environment is hard to determine. Finally, the influences of the missing modules (actually some modules are insulation failure) on the inner multi-physical fields and the operation behaviors are conducted, by which the safe operation border for the multi-physical fields can be regulated, and it can also provide an effective method for pre-estimate the safe operation margin for the HTS wind generator.

本项目提出一种定转子模块化高温超导风力发电机，其定转子均采用模块化设计，可有效降低风电机组安装难度和维护工作量。针对提出的模块化高温超导风力发电机，重点开展发电机模块化设计机理、时空交叠磁通对高温超导绕组临界特性/交流损耗的影响规律、缺模情况下发电机内多物理场演变规律及运行行为等的理论研究。通过研究模块化拓扑结构对多尺度物理场的影响，构建模块化高温超导风力发电机理论设计体系，可为模块化高温超导风力发电机的设计提供理论依据；通过研究发电机磁通的时空交叠规律及其对高温超导绕组临界特性/交流损耗的影响，可以解决高温超导绕组在复杂电磁环境中的安全运行边界难以确定的科学难题；通过构建缺模情况下发电机的电磁-流体-温度多场耦合计算数学模型，研究发电机缺模情况下内部多物理场变化规律及其运行行为，可以确定发电机的多物理场安全运行边界，为准确预估高温超导风力发电机的运行安全裕度提供有效的方法。

针对海上风电机组大型化发展以及机组容量太大而导致安装和维护成本偏高的问题，提出一种定转子模块化风力发电机，其定转子均可实现模块化设。通过定转子模块化设计，将大型机组拆分为中小部件能够大幅降低风电机组的制造、运输、吊装和维护成本，同时具备较强的容错能力，对发展清洁能源、提高能源利用率有重要意义。本项目重点研究风力发电机模块化安装的装配间隙、定转子不同心对风力发电机的电磁场和运行性能的影响以及部分模组故障后容错运行行为，主要内容如下：针对受安装工艺限制而存在的安装间隙对风力发电机的影响，搭建了定转子模块化风力发电机瞬态电磁场计算模型，分析了模块化拓扑结构和参数对发电机时空交叠磁场分布的影响，研究了模块化拓扑结构和参数对风力发电机输出电压和电流畸变的影响，为风力发电机的模块化设计提供参考。针对直驱式风力发电机直径较大，模块化安装易导致定转子不同心的问题，建立了气隙径向静态偏心、气隙径向动态偏心、气隙径向复合偏心等不同程度偏心和轴向偏移的风力发电机计算模型，分析了定转子不同心度对风力发电机电磁分布和运行特性的影响，研究了不同心度与输出特性之间的映射关系，对风力发电机的不同心状态进行评估。针对模块化设计发电机部分模组因故障退出运行后会导致发电机不对称运行和失磁问题，建立了发电机和控制回路联合仿真模型，研究了不同故障深度情况下发电机的电磁分布以及输出特性，分析了不同故障深度下发电机的内部环流变化情况，为发电机的容错控制提供依据。最后，根据前期研究结果，对定转子模块化永磁风力发电机进行了优化设计，并搭建了永磁直驱风力发电机测试平台，对发电机的性能进行测试，结果表明，模块化设计方案能够满足设计需求，验证了所提方法和理论的正确性。较好的完成了项目预期指标。