PWM整流器控制下交流永磁发电机系统化设计关键问题研究

With the development of power electronics and motor control technology, the PWM rectifier and AC permanent magnet motor are getting closer, and they are used widely in fields of new energy generation and electrical drive. According to the limitation of the existing AC permanent magnet generator design theory and method, this project will introduce PWM the rectifier and motor control algorithm to the motor design and analysis, and propose AC permanent magnet generator systemic design theory. This theory is mainly to solve the three significant scientific problems of AC permanent magnet generator controlled by the PWM rectifier: system matched design, analysis and suppression of the stator harmonic current and calculation and weaken of the rotor losses. The design principle for the AC permanent magnet generator that “main fundamental, auxiliary harmonic” and “design generator in the system” are proposed, base on which ,the new systemic design method for AC permanent magnet generator is built. Finally, the proposed theory is justified by the simulation and experimental test results, and will be put into the practical application.

随着电力电子技术和电机控制技术的不断发展，PWM整流器与交流永磁发电机的结合越来越紧密，它们构成的永磁可控发电系统在新能源发电、电力驱动等领域具有广泛的应用前景。本项目针对现有的交流永磁发电机设计分析理论和方法的局限性，将PWM整流器和电机控制算法引入到永磁发电机本体设计和分析中，提出了交流永磁发电机系统化设计理论和方法。重点解决了永磁可控发电系统中交流永磁发电机的交流永磁发电机参数匹配设计、定子电流谐波分析与抑制和转子损耗计算与削弱等三个关键科学问题，提出了交流永磁同步发电机“基波特性为主、兼顾谐波影响”和“在系统中设计电机”两个设计原则，并在此基础上建立了全新的永磁同步发电机系统化设计方法。项目遵循理论联系实际的基本原则，对理论进行仿真验证和实验测试对比分析，并对其进行工程化的设计和优化，将理论研究成果指导实际应用。

交流永磁同步发电机与可控整流装置（PWM整流器）构成的发电系统（可控永磁发电系统）具有结构紧凑、变速运行、电能可控等特点，是电机电器与电力电子与电力传动学科的重点研究领域，也是新能源、可再生能源发电和电力驱动技术的发展的重要技术支撑，具有广阔的应用前景。本项目以可控永磁发电系统为技术背景，重点研究在系统约束和控制条件下交流永磁发电机设计的特殊性和关键性问题。研究了PWM整流器控制下永磁同步发电机运行模型与特性，为电机系统化设计奠定了良好的基础；研究了可控永磁发电系统发电机定子谐波电流产生的机理，分析了电流谐波与电机结构，控制参数之间的关系；研究了可控永磁发电系统发电机设计模型，建立了PWM整流器控制下永磁同步发电机系统设计方法；研究了永磁发电机转子损耗的机理，并分析了控制参数对损耗的影响，提出了降低损耗的方法。项目立足于传统学科，但立意新颖，可极大的提高交流永磁发电机的设计水平，促进交流永磁发电机的推广应用，这些可带来明显的社会效益和经济效益。本项目的研究成果在特种车辆永磁电传动和大型直驱永磁风力发电系统的设计中得到了应用，设计了840kW、700kW和500kW三种功率等级的高功率密度永磁发电机，样机和试验数据证明了本项目研究成果的正确性；设计了2MW直驱永磁风力发电机，相关成果获得了省部级科技奖励3项。