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基于直流负载特性的开关磁阻风力发电机研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 风力发电的发展现状

1.3 开关磁阻发电机国内外的研究现状

1.3.1 国外开关磁阻发电机研究现状

1.3.2 国内开关磁阻发电机研究现状

1.4 研究的目的和意义

1.5 研究内容

第2章 非并网风电中直流负载特性的研究

2.1 非并网风电基本理论

2.1.1 非并网风电的内涵

2.1.2 非并网风电应用领域

2.2 高耗能直流负载特性分析

2.2.1 氯碱负载特性分析

2.2.2 电解铝负载特性分析

2.2.3 电解制氢负载特性分析

2.3.1 电解水制氢负载的电压模型

2.3.2 产氢率的数学模型

2.3.3 电解水制氢负载特性的建模与仿真

2.4 开关磁阻风力发电机为直流负载供电的提出

2.4.1 直流负载所要求的开关磁阻风力发电机的性能指标

2.4.2 基于直流负载特性的开关磁阻风力发电系统

2.5 本章小结

第3章 开关磁阻风力发电机的建模与分析

3.1.1 开关磁阻风力发电机结构

3.1.2 开关磁阻风力发电机的发电原理

3.2 开关磁阻风力发电机数学模型

3.2.1 SRG电压方程

3.2.2 SRG机械方程

3.2.3 SRG的能量转换分析

3.3 发电模式及发电运行分析

3.4 开关磁阻风力发电机的控制方式

3.4.1 角度位置控N(APC)

3.4.2 电流斩波控制(CCC)

3.5 本章小结

第4章 基于直流负载特性的开关磁阻风力发电机电磁设计

4.1 开关磁阻风力发电机本体设计步骤

4.2 开关磁阻发电机参数选取

4.2.1 给定参数

4.2.2 电磁负荷的选择

4.2.3 细长比的选择

4.2.4 定、转子极弧

4.2.5 气隙的选取

4.2.6 主要尺寸的确定

4.3 基于解析法的开关磁阻风力发电机电磁计算

4.3.1 最小电感θu位置磁化曲线的计算

4.3.2 最大电感θv位置磁化曲线的计算

4.4 开关磁阻风力发电机样机计算实例

4.4.1 SRG关键参数及尺寸计算

4.4.2 最大、最小电感位置磁化曲线计算结果

4.5 本章小结

第5章 开关磁阻风力发电机有限元仿真及性能分析

5.1 Ansoft电磁场仿真软件简介

5.2 有限元分析法

5.2.1 电磁场的基本方程

5.2.2 二维有限元静磁场分析理论

5.2.3 二维有限元瞬态磁场分析理论

5.3.1 基于RMxprt的开关磁阻发电机建模

5.3.2 开关磁阻发电机尺寸参数优化分析

5.4.1 SRG的Maxwell 2D建模

5.4.2 网格剖分

5.4.3 二维静态磁场分析

5.4.4 二维静态特性仿真结果

5.5 Maxwell 2D瞬态磁场仿真分析

5.5.1 外电路的设定

5.5.2 设置机械运动

5.5.3 二维瞬态场仿真结果

5.6 开关磁阻风力发电机用于为直流负载供电的可行性

5.7 本章小结

第6章 基于直流负载特性的开关磁阻风力发电系统仿真实现

6.1.1 风力机特性

6.1.2 风力机特性仿真结果分析

6.1.3 风速模型

6.2 开关磁阻风力发电机最大风能控制方案

6.2.1 转速反馈控制方案

6.2.2 最佳叶尖速比控制方案

6.2.3 功率扰动观察控制方案

6.2.4 功率反馈控制方案

6.3 基于直流负载特性的开关磁阻风力发电系统非线性建模

6.3.1 开关磁阻风力发电机非线性模型的建立

6.3.2 开关磁阻风力发电系统建模

6.3.3 仿真结果分析

6.4 直流负载与开关磁阻风力发电系统适应性仿真分析

6.4.1 基于直流负载的开关磁阻风力发电系统仿真

6.4.2 仿真结果分析

6.5 本章小结

结论

攻读硕士学位期间所发表的论文

参考文献

致谢

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摘要

风力发电是一种灵活机动、安全可靠的发电方式,但风能的波动、随机性,使得风电并网的应用受阻,导致弃风限电现象严重。为避免这类现象继续恶化,国内专家提出了非并网风电应用,即将风能直接应用于高耗能直流负载,不仅可平抑风电对电网的冲击,也能提升风电资源的利用率,使风电成本降低。
  开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator,简称SRG)作为一种新型特种发电机,具有成本低、构造简单、适应恶劣环境等特点,在风力发电领域极具潜力,相应的研究也越来越多。若将SRG用于为高耗能直流负载供电,无需逆变单元,可简化风电设备,推动风电产业快速发展,带来很大的经济效益。
  本文首先介绍了开关磁阻发电机的发展现状,分析了三种高耗能直流负载特性,提出将开关磁阻风力发电机用于为此类负载供电,其次针对此类负载特性确定发电机的额定参数并对电机本体进行了初步设计,以提高SRG发电效率为目的,通过MathCAD计算软件和Ansoft Maxwell16.0有限元仿真,对电机尺寸参数进行了计算和优化,以及开关磁阻发电机内部电磁场的有限元分析。最后基于Matlab软件建立了风力机模型,研究风力机的功率特性;针对开关磁阻风力发电机及其系统建模,研究最大风能跟踪的几种常规控制方法,建立基于直流负载的开关磁阻风力发电系统的仿真模型,结果表明开关磁阻风力发电机满足此类负载的供电要求以及该发电系统的可行性。

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