永磁直驱风力发电机的优化设计与系统性能评估

论文摘要

上个世纪末21世纪初以来，人们越来越关注可再生新能源利用的研究和发展。风能是目前地球上开发难度最低的无污染的可再生能源，风力发电也是目前可再生能源发电中技术最成熟,市场规模最大,发电成本较低的方式。大力发展风力发电能有效缓解能源危机，保护地球环境及增加就业岗位，正因为风力发电有着诸多优点，世界各国政府都对风电的发展给予了极高的重视。永磁直驱同步风力发电系统采用风力机与发电机直接耦合的方式，省去了价格高昂，技术复杂，可靠性低的增速齿轮箱，具有成本较低，可靠性高，使用寿命长等特点，是未来风电技术的发展方向之一。论文首先较为全面地介绍了风力发电技术的应用现状，今后风电技术的发展方向以及风力发电系统的主流机型。其次分析了永磁直驱风力发电系统的数学模型，包括风力机的模型，永磁直驱同步发电机的模型及永磁直驱风力发电系统变流器的模型，为后文的优化设计及性能评估打下理论基础。再次，论文介绍了遗传算法的基本原理，并针对遗传算法和永磁直驱同步风力发电系统的特点，建立了永磁直驱同步风力发电机优化数学模型。最后介绍了永磁直驱同步风力发电机的基本设计理论并以此为依据进行了样机的初始设计，再使用遗传算法对初始样机进行了优化设计，优化前后的数据对比表明优化设计取得了显著的效果，遗传算法是一种求解电机优化设计问题最优解的有效方法。在优化设计后的数据基础上对比了功率等级分别为1MW，2MW，3MW，5MW及10MW永磁直驱同步风力发电系统的一些性能差别，包括系统成本、重量、体积、年发电量、单位成本年发电量及不同额定风速下的各项性能等。通过分析得出了一些结论，可以作为永磁直驱风力发电系统的设计参考，也为日后建设风电场时风力机的选择提供了一些理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外风电发展现状及发展趋势
• 1.2.1 国内外风电发展现状
• 1.2.2 风电技术的发展趋势
• 1.3 风力发电系统的主流机型
• 1.3.1 恒速恒频异步风力发电系统
• 1.3.2 变速恒频笼型异步风力发电系统
• 1.3.3 变速恒频双馈风力发电系统
• 1.3.4 变速恒频直驱风力发电系统
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 永磁直驱风力发电系统的模型
• 2.1 风力机的建模与分析
• 2.1.1 风能计算理论
• 2.1.2 风力机的运行特性
• 2.2 永磁直驱同步发电机的建模与分析
• 2.2.1 永磁同步发电机转子磁路结构
• 2.2.2 永磁直驱同步发电机建模
• 2.3 变流器的建模与分析
• 2.3.1 永磁直驱风力发电系统常用的变流器类型
• 2.3.2 变流器建模
• 2.4 本章小结
• 第3章 优化设计算法
• 3.1 遗传算法的特点
• 3.2 遗传算法的原理
• 3.3 永磁直驱风力发电系统的优化模型
• 3.3.1 优化目标函数的选择
• 3.3.2 优化设计变量的选取
• 3.3.3 假设及约束条件
• 3.3.4 遗传算法优化设计模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 优化设计实例与性能评估
• 4.1 样机初始设计
• 4.2 优化设计
• 4.3 永磁直驱风电系统性能评估
• 4.3.1 系统成本、材料重量及体积比较
• 4.3.2 年发电量（AEO）及单位成本年发电量（AEOP）比较
• 4.3.3 不同额定风速下的性能对比
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢