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行业领域

电力、热力生产和供应业

需求背景

宁夏茂腾新能源有限公司是一家专业从事风力发电项目开发、建设、运营和维护的企业，拥有多个风电场，总装机容量达到500兆瓦。随着风电市场的竞争加剧，风电成本的降低和风电并网的要求提高，公司面临着提高风力发电系统的效率、稳定性和可控性的迫切需求。目前，公司使用的风力发电机组主要是双馈感应发电机（DFIG）和全变流式永磁同步发电机（PMSG），但这两种类型的发电机组都存在一些技术问题和局限性。

DFIG需要依赖于外部电网提供励磁电流，不能在孤岛模式下运行，且对电网扰动敏感，容易造成过电压、过电流等故障；

PMSG虽然可以在孤岛模式下运行，但需要较大的变流器容量，造成较高的成本和损耗，且对谐波和无功功率的控制能力较弱；

两种类型的发电机组都需要复杂的控制策略和保护装置，增加了系统的复杂度和不确定性；

两种类型的发电机组都难以实现最大功率点跟踪（MPPT），导致风能利用率不高；

两种类型的发电机组都存在机械应力、疲劳损伤、噪声等问题，影响了系统的寿命和安全性。

需解决的主要技术难题

设计一种新型的风力发电机组，能够在不依赖于外部电网的情况下实现自励磁和自调节，提高系统的稳定性和可靠性；

优化风力发电机组的结构和参数，减少变流器容量和损耗，降低系统成本和维护难度；

提高风力发电机组对谐波和无功功率的控制能力，改善系统的功率质量和并网性能；

实现风力发电机组的最大功率点跟踪（MPPT），提高风能利用率和系统效率；

降低风力发电机组的机械应力、疲劳损伤、噪声等问题，延长系统寿命和保证系统安全性。

期望实现的主要技术目标

设计一种新型的自励磁自调节永磁同步发电机（SESPM），利用永磁体提供恒定励磁场，并通过调节转子上串联或并联的阻抗元件来实现自励磁和自调节功能；

优化SESPM的结构和参数，使其能够在不同风速下保持恒定的电压和频率，减少变流器容量和损耗，降低系统成本和维护难度；

提高SESPM的谐波和无功功率的控制能力，使其能够在不同负载下保持良好的功率因数，改善系统的功率质量和并网性能；

实现SESPM的最大功率点跟踪（MPPT），使其能够在不同风速下跟踪最佳的转速，提高风能利用率和系统效率；

降低SESPM的机械应力、疲劳损伤、噪声等问题，使其能够在不同工况下保持稳定和安全的运行，延长系统寿命。

具体参数如下：

SESPM的额定功率为2兆瓦，额定电压为690伏，额定频率为50赫兹，额定转速为1500转/分；

SESPM的励磁电阻为10欧姆，励磁电感为0.1亨利，励磁开关为双向可控硅；

SESPM的变流器容量为0.3倍额定功率，变流器效率为98%，变流器开关为绝缘栅双极晶体管（IGBT）；

SESPM的谐波含量小于5%，功率因数大于0.95，无功功率可调节范围为±0.2倍额定功率；

SESPM的最大功率点跟踪（MPPT）算法为增量导纳法，MPPT效率大于99%；

SESPM的机械应力小于100兆帕，疲劳损伤小于10%，噪声小于60分贝。

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