基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法，实施步骤包括：确定被设计大型永磁风力发电机的系统设计参数；考虑电、磁、热、力四个方面的约束条件，以多个工作状态的加权平均效率最高或加权平均功率损失最小为目标函数，基于系统设计参数建立数学模型；采用模拟退火算法迭代求解获取最优的系统设计参数。本发明专利技术在考虑电磁热力耦合场的同时采用多个工作状态加权平均效率最优的方法，能够在保证发电机有较强抗弯抗扭性能及较好热性能的前提下，解决了传统发电机在多个工作状态下整体效率低的问题，使发电机在电网波动、风速变化等复杂环境下的运行效率更高。

Parameter design method of large permanent magnet wind generator based on electromagnetic thermomechanical coupling field

The invention discloses an electromagnetic thermal coupling field of large permanent magnet wind turbine generator based on parameter design method, implementation steps include determining system design parameters are the design of large permanent magnet wind generator; constraint conditions to consider four aspects of electricity and magnetism, heat and stress, the minimum in more than one state to the weighted average of the highest efficiency or the weighted average power loss as the objective function, mathematical model is established based on design parameter; system design parameters using simulated annealing algorithm to obtain the optimal iteration. The present invention in the method considering multiple state optimal weighted average efficiency by using the electromagnetic thermal coupling field at the same time, to guarantee the generator has strong flexural and torsional properties and good thermal performance, solve the traditional generator in more than one state under low overall efficiency problems, the generator operating efficiency in power network fluctuation the change of wind speed, complex environment and higher.

【技术实现步骤摘要】
基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法
本专利技术涉及风力发电机的参数设计及优化技术，具体涉及一种基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法。
技术介绍
目前，永磁发电机的一般设计方法是以传统的同步发电机设计方法为基础，仅仅在额定状态下结合永磁电机特有的磁路设计方法，在电压恒定和恒速恒频运行的前提条件下设计而成的。设计出的永磁风力发电机不能很好地适应电网波动、风速变化等复杂环境且运行特性易受变流器和控制策略影响。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法，本专利技术在传统设计方法的基础上，考虑电磁热力耦合场的同时采用多个工作状态加权平均效率最优的方法，能够在保证发电机有较强抗弯抗扭性能及较好热性能的前提下，解决了传统发电机在多个工作状态下整体效率低的问题，使发电机在电网波动、风速变化等复杂环境下的运行效率更高。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法，实施步骤包括：1)确定被设计大型永磁风力发电机的系统设计参数；2)考虑电、磁、热、力四个方面的约束条件，以多个工作状态的加权平均效率最高或加权平均功率损失最小为目标函数，基于系统设计参数建立数学模型；3)基于额定状态设计得到的一组大型永磁风力发电机系统参数为初始工作状态值；基于初始工作状态值，采用模拟退火算法对数学模型进行多工作状态迭代求解，在迭代收敛后得到多组求解结果，并选择一组最优结果作为最优的系统设计参数输出。优选地，步骤1)中被设计大型永磁风力发电机的系统设计参数包括定子铁心内径Di1、定子铁心长度Lt、转轴外径d、转轴长度La、每槽导体数Ns、定子槽高hs和槽宽bs、永磁体宽度am和磁化方向厚度hm以及极弧系数αp。优选地，步骤2)中电、磁、热、力四个方面的约束条件包括永磁风力发电机端电压U、气隙磁密Bg、定子齿部磁密Bt、定子轭部磁密Bj、定子线负荷A、热负荷AJ、平均温升△τ、转轴承受的弯扭合应力F、槽满率Sf的如(1)所示的预设约束条件；式(1)中，g1(x)～g9(x)为预设的九个约束条件，U为永磁风力发电机端电压、Udc为变流器直流母线电压，Bg为气隙磁密、Bg0为气隙磁密的约束值，Bt为定子齿部磁密、Bt0为定子齿部磁密的约束值，Bj为定子轭部磁密、Bj0为定子轭部磁密的约束值，A为定子线负荷、A0为定子线负荷的约束值，AJ为热负荷、AJ0为热负荷的约束值，△τ为平均温升、△τ0为平均温升的约束值，F为转轴承受的弯扭合应力、F0为转轴承受的弯扭合应力的约束值，Sf为槽满率、Sf0为槽满率的约束值。优选地，步骤2)中基于系统设计参数建立数学模型如式(2)所示；式(2)中，X为待求解的系统设计参数构成的矩阵，D为待求系统设计参数的总数量，ηi(X)为第i个工作状态的加权平均效率，pi(X)为第i个工作状态的加权平均功率损失，i为各工作状态，i≥3，gj(X)为第j个约束条件。优选地，步骤3)的详细步骤包括：3.1)基于额定状态，采用模拟退火算法对设计数学模型随机产生一个初始解x0，并把x0作为当前最优解，计算目标函数基于当前最优解x0的目标函数值设置模拟退火算法的初始温度T0为1.0，将温度变化次数k的值初始为1，并给定最大迭代次数Lk；3.2)对当前最优解作随机扰动，基于模拟退火算法生成本次迭代的新解xjk+1，计算目标函数基于本次迭代的新解xjk+1的新的目标函数值计算新的目标函数值和上一次迭代的目标函数值之间的差作为目标函数值增量3.3)判断目标函数值增量小于0是否成立，如果成立则接受新产生的最优解为当前最优解；否则，以Metropolis准则来计算概率P，随机产生一个在[0,1]区间上均匀分布的随机数ζ，若概率P大于随机数ζ则新产生的最优解为当前最优解，否则放弃接受新产生的最优解为当前最优解；3.4)将温度变化次数k加1，判断温度变化次数k是否等于最大迭代次数Lk，如果不等于最大迭代次数Lk，则跳转执行步骤3.2)；否则跳转执行下一步；3.5)判断是否满足预设的终止条件，所述预设的终止条件是指连续N个新解都没有被接受或目标函数值增量小于一个[0，1]区间内的给定值ε，如果不满足预设的终止条件，则计算本次迭代的退火温度，每隔m个接收解进行回火处理，进行淬火处理，跳转执行步骤3.2)；如果满足预设的终止条件，则输出当前解作为最优解，结束。优选地，步骤3.2)生成本次迭代的新解xjk+1的函数表达式如式(3)所示；式(3)中，xjk+1为本次迭代的新解，为上一次迭代的新解，yj为第j个待求参数的扰动，1≤j≤D，D为待求系统设计参数的总数量，Bj为第j个待求参数可能取的最大值，Aj为第j个待求参数可能取的最小值，c为温度控制系数，Tk为本次迭代的退火温度，T0为模拟退火算法的初始温度，k为将温度变化次数，uj为介于0和1之间的随机值。优选地，步骤3.3)以Metropolis准则来计算概率P的函数表达式如式(4)所示；式(3)中，P为计算得到的概率，为目标函数值增量，Tk为本次迭代的退火温度。优选地，步骤3.5)中计算本次迭代的退火温度的函数表达式如式(5)所示；Tk＝T0exp(-ck1/D)(5)式(4)中，Tk为本次迭代的退火温度，T0为模拟退火算法的初始温度，c为温度控制系数，k为将温度变化次数，D为待求系统设计参数的总数量。优选地，步骤3.5)中每隔m个接收解进行回火处理的步骤包括：S1)根据式(6)计算待求解的系统设计参数构成的矩阵X中第j个变量的梯度sj；式(6)中，sj为待求解的系统设计参数构成的矩阵X中第j个变量的梯度，xopt为目前为止找到的最优解，δ为步长，ej为维数为D的向量且第j个分量是1、其余为0；S2)判断待求解的系统设计参数构成的矩阵X中第j个变量的梯度sj等于预设的梯度阈值smax是否成立，如果成立则根据式(7)对退火温度Tk的值、温度变化次数k的值进行重新设置；式(7)中，T′k′为退火温度Tk重新设置后的值，smax为预设的梯度阈值，sj为待求解的系统设计参数构成的矩阵X中第j个变量的梯度，Tk为重新设置前的退火温度；k′为温度变化次数k重新设置后的值，T0为模拟退火算法的初始温度，c为温度控制系数，D为待求系统设计参数的总数量。优选地，步骤3.5)中进行淬火处理的函数表达式如式(8)所示；式(8)中，Tk为本次迭代的退火温度，T0为模拟退火算法的初始温度，c为温度控制系数，k为将温度变化次数，qj为淬火因素，D为待求系统设计参数的总数量。本专利技术基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法具有下述优点：本专利技术基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法确定被设计大型永磁风力发电机的系统设计参数；考虑电、磁、热、力四个方面的约束条件，以多个工作状态的加权平均效率最高或加权平均功率损失最小为目标函数，基于系统设计参数建立数学模型；基于额定状态设计得到的一组大型永磁风力发电机系统参数为初始工作状态值；基于初始工作状态值，采用模拟退火算法对数学模型进行多工作状态迭代求解，在迭代收敛后得到多组求解结果，并选择一组最优结果作为最优的系统设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法，其特征在于实施步骤包括：1)确定被设计大型永磁风力发电机的系统设计参数；2)考虑电、磁、热、力四个方面的约束条件，以多个工作状态的加权平均效率最高或加权平均功率损失最小为目标函数，基于系统设计参数建立数学模型；3)基于额定状态设计得到的一组大型永磁风力发电机系统参数为初始工作状态值；基于初始工作状态值，采用模拟退火算法对数学模型进行多工作状态迭代求解，在迭代收敛后得到多组求解结果，并选择一组最优结果作为最优的系统设计参数输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法，其特征在于实施步骤包括：1)确定被设计大型永磁风力发电机的系统设计参数；2)考虑电、磁、热、力四个方面的约束条件，以多个工作状态的加权平均效率最高或加权平均功率损失最小为目标函数，基于系统设计参数建立数学模型；3)基于额定状态设计得到的一组大型永磁风力发电机系统参数为初始工作状态值；基于初始工作状态值，采用模拟退火算法对数学模型进行多工作状态迭代求解，在迭代收敛后得到多组求解结果，并选择一组最优结果作为最优的系统设计参数输出。2.根据权利要求1所述的基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法，其特征在于，步骤1)中被设计大型永磁风力发电机的系统设计参数包括定子铁心内径Di1、定子铁心长度Lt、转轴外径d、转轴长度La、每槽导体数Ns、定子槽高hs和槽宽bs、永磁体宽度am和磁化方向厚度hm以及极弧系数αp。3.根据权利要求1所述的基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法，其特征在于，步骤2)中电、磁、热、力四个方面的约束条件包括永磁风力发电机端电压U、气隙磁密Bg、定子齿部磁密Bt、定子轭部磁密Bj、定子线负荷A、热负荷AJ、平均温升△τ、转轴承受的弯扭合应力F、槽满率Sf的如(1)所示的预设约束条件；式(1)中，g1(x)～g9(x)为预设的九个约束条件，U为永磁风力发电机端电压、Udc为变流器直流母线电压，Bg为气隙磁密、Bg0为气隙磁密的约束值，Bt为定子齿部磁密、Bt0为定子齿部磁密的约束值，Bj为定子轭部磁密、Bj0为定子轭部磁密的约束值，A为定子线负荷、A0为定子线负荷的约束值，AJ为热负荷、AJ0为热负荷的约束值，△τ为平均温升、△τ0为平均温升的约束值，F为转轴承受的弯扭合应力、F0为转轴承受的弯扭合应力的约束值，Sf为槽满率、Sf0为槽满率的约束值。4.根据权利要求1所述的基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法，其特征在于，步骤2)中基于系统设计参数建立数学模型如式(2)所示；式(2)中，X为待求解的系统设计参数构成的矩阵，D为待求系统设计参数的总数量，ηi(X)为第i个工作状态的加权平均效率，pi(X)为第i个工作状态的加权平均功率损失，i为各工作状态，i≥3，gj(X)为第j个约束条件。5.根据权利要求1所述的基于电磁热力耦合场的大型永磁风力发电机参数设计方法，其特征在于，步骤3)的详细步骤包括：3.1)基于额定状态，采用模拟退火算法对设计数学模型随机产生一个初始解x0，并把x0作为当前最优解，计算目标函数基于当前最优解x0的目标函数值设置模拟退火算法的初始温度T0为1.0，将温度变化次数k的值初始为1，并给定最大迭代次数Lk；3.2)对当前最优解作随机扰动，基于模拟退火算法生成本次迭代的新解xjk+1，计算目标函数基于本次迭代的新解xjk+1的新的目标函数值计算新的目标函数值和上一次迭代的目标函数值之间的差作为目标函数值增量3.3)判断目标函数值增量小于0是否成立，如果成立则接受新产生的最优解为当前最优解；否则，以Metropolis准则来计算概率P，随机产生一个在[0,1]区间上均匀分布的随机数ζ，若概率P大于随机数ζ则新产生的最优解为当前最优解，否则放弃接受新产生的最优解为当前最优解；3.4)将温度变化次数k加1，判...

【专利技术属性】
技术研发人员：高剑，黄守道，王海龙，李慧敏，罗德荣，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43