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離網(wǎng)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行相關(guān)問(wèn)題的研究
摘要：近些年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電憑借其綠色、普遍等優(yōu)點(diǎn)得到了較快的發(fā)展，特別是在沿海山區(qū)等電網(wǎng)不能達(dá)到的地方，離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)用給當(dāng)?shù)氐木用窠鉀Q的用電問(wèn)題。但是風(fēng)速的不穩(wěn)定性給離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載帶來(lái)了沖擊，減小了系統(tǒng)的壽命。本文擺脫了傳統(tǒng)思想中通過(guò)控制電路控制輸出功率的方法，嘗試通過(guò)對(duì)電機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)抑制輸出功率隨轉(zhuǎn)速的上升，從而兼顧系統(tǒng)的復(fù)雜程度、成本和可靠性。
關(guān)鍵詞： 離網(wǎng);永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī);功率限制
0、引言
隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的不斷發(fā)展，進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)能源的需求日趨增長(zhǎng)，而傳統(tǒng)的一次性能源，如煤、石油、天然氣等不但產(chǎn)生污染，而且面臨著枯竭[1]。環(huán)境和能源問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今人類生存發(fā)展所面臨的最緊迫的問(wèn)題。在節(jié)約使用現(xiàn)有能源的同時(shí)，世界各國(guó)正在努力尋求新的主流能源以面對(duì)日益嚴(yán)重的能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題。除了技術(shù)相對(duì)比較成熟、目前廣泛應(yīng)用的水能和核能(核裂變)以外，風(fēng)能、生物能等新型能源的利用也漸漸受到人們的重視。
中國(guó)幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)，風(fēng)能資源豐富。其中東南沿海及其附近島嶼地區(qū)風(fēng)能資源豐富，新疆北部、內(nèi)蒙古、甘肅北部也是我國(guó)風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，黑龍江、吉林東部、河北北部及遼東半島的風(fēng)能資源也較好，青藏高原北部風(fēng)能也比較豐富，但由于青藏高原海拔高，空氣密度小，所以有效風(fēng)能密度較低。結(jié)合國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)組織對(duì)中國(guó)風(fēng)能資源的普查結(jié)果及2006 年氣象中心對(duì)我國(guó)風(fēng)能資源的評(píng)價(jià)，我國(guó)陸上風(fēng)能技術(shù)可開(kāi)發(fā)量6 億～10 億千瓦，加上近海區(qū)域總量有7 億～12 億千瓦，儲(chǔ)藏量十分豐富[2]。除能源儲(chǔ)存量豐富的原因之外，結(jié)合我國(guó)特殊國(guó)情，我國(guó)同其他國(guó)家相比較發(fā)展風(fēng)力發(fā)電更具有緊迫性和必要性。我國(guó)人口眾多，人口分布面積廣，電網(wǎng)難以完全覆蓋。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2005 年我國(guó)還有700 萬(wàn)戶，2800 萬(wàn)人沒(méi)有用上電[3]。而這些人大部分居住在西部的山區(qū)、農(nóng)牧區(qū)和沿海島嶼上，解決這些人的生活用電問(wèn)題迫在眉睫。
前述 700 萬(wàn)沒(méi)有用上電的家庭主要分散分布在中國(guó)西部省份的邊遠(yuǎn)地區(qū)，以及東部沿海的一些島嶼上，通過(guò)常規(guī)電網(wǎng)延伸辦法為這些遠(yuǎn)距離、低負(fù)荷的用戶供電成本很大，收益卻很小。況且這些人口大部分的經(jīng)濟(jì)能力較差，需要向他們提供廉價(jià)的能源。這一切都能通過(guò)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電良好結(jié)解決。
本文在研究戶用型的小功率直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，研究發(fā)電機(jī)工作時(shí)磁場(chǎng)的分布情況，理論分析找出了在臨界速度以上使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保證恒功率輸出特性的設(shè)計(jì)方法，并將理論付諸于實(shí)踐，驗(yàn)證理論的正確性。
1、傳統(tǒng)的功率控制思想及本課題的思想
直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸直接與風(fēng)輪相連，其轉(zhuǎn)速完全取決于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化時(shí)，必定引起發(fā)電機(jī)的電壓和輸出功率的波動(dòng)，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到一個(gè)較高的水平時(shí)，將會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)本身和蓄電池負(fù)載造成一定的損害。所以永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制問(wèn)題一直是一個(gè)熱門(mén)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)此控制方法進(jìn)行過(guò)研究，并取得了一定的成果。
當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速并不斷升高時(shí)，傳統(tǒng)的抑制輸出功率及電壓上升的方法主要有如下兩種：
(1)當(dāng)風(fēng)速升高時(shí)，通過(guò)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的特殊設(shè)計(jì)來(lái)抑制功率上升。一種思路叫做定槳距控制，這種思路中槳葉與輪毅剛性連接，槳距角保持不變。隨著風(fēng)速增加，攻角增大，槳翼變形，造成葉片失速，限制了功率增加。這種方式?jīng)]有功率反饋系統(tǒng)和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件少、造價(jià)低，具有較高的安全系數(shù)。但這種控制方式依賴于葉片獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu)，葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，失速動(dòng)態(tài)特性不易控制。另一種思路叫做變槳距控制，風(fēng)輪上添加了槳距變動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)速升高時(shí)，此機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，增大風(fēng)機(jī)槳矩角，使得葉片攻角減小以降低風(fēng)能捕獲。這種方式是根據(jù)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速的反饋加以控制的，所以控制準(zhǔn)確，效果好。但是，由于變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用液壓傳動(dòng)或電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，故執(zhí)行速度較慢。而且，增加的槳矩執(zhí)行和控制機(jī)構(gòu)增大了整個(gè)系統(tǒng)的成本，降低了可靠性。也有人提出將兩種思路組合構(gòu)成主動(dòng)失速控制，這里不再贅述。
(2)當(dāng)風(fēng)速升高時(shí)，通過(guò)改變發(fā)電機(jī)定子電流來(lái)抑制功率上升。隨著轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓或輸出功率達(dá)到限制時(shí)，保持交軸電流不變，適當(dāng)?shù)脑龃笾陛S的去磁分量，通過(guò)弱磁控制發(fā)電機(jī)的輸出功率和輸出電壓。
通過(guò)對(duì)以上兩種方法的分析，我們看到了一個(gè)共性，就是無(wú)論哪種方法都需要在風(fēng)電系統(tǒng)中加入額外的控制或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，降低了可靠性。本文試圖通過(guò)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身的高磁密優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加電機(jī)工作的飽和度，從而實(shí)現(xiàn)在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)限制輸出功率和電壓和上升。
2、限制功率
隨轉(zhuǎn)速上升的方案及原理眾所周知，在空載情況下，永磁體產(chǎn)生的磁通會(huì)根據(jù)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)均勻的分布在電機(jī)內(nèi)部。而在負(fù)載情況下，由于負(fù)載電流的存在，電樞磁勢(shì)沿電樞表面的分布，在中心線x=0處，電樞磁勢(shì)為零，隨著x 的增加，電樞磁勢(shì)F = xA(A為電機(jī)的線負(fù)荷)也正比例增大(不是嚴(yán)格的線性)，電樞磁勢(shì)的最大值位于x = ±τ 2處(τ 為極距)，此時(shí)m 2 F A τ= 。圖中所示的原點(diǎn)右側(cè)電樞磁勢(shì)起增磁作用，左側(cè)起去磁作用，最大的增磁與去磁磁勢(shì)分別作用于x = ±b 2處，其磁勢(shì)為12F = bA，b 為極弧計(jì)算寬度。若電機(jī)處于線性狀態(tài)，則增磁作用與去磁作用彼此相互抵消。但是實(shí)際上電機(jī)中存在飽和現(xiàn)象，電樞磁勢(shì)起增磁作用的一側(cè)，其飽和度就更趨嚴(yán)重，使磁通不易增加。而去磁側(cè)的磁通卻相應(yīng)減少，這就造成電樞磁勢(shì)的增磁和去磁不平衡。在計(jì)及飽和現(xiàn)象時(shí)，電樞反應(yīng)會(huì)使永磁體極面下的磁通有所減少，這也是去磁作產(chǎn)生的原因，它將影響永磁磁極的磁化狀態(tài)和工作點(diǎn)，而去磁作用越強(qiáng)，這種影響就愈加強(qiáng)烈[5]。
現(xiàn)在結(jié)合永磁磁極的空載與負(fù)載工作點(diǎn)來(lái)說(shuō)明。圖2 中，MN 線是釹鐵硼永磁材料的退磁曲線，由材料的特性得出，曲線OG 是電機(jī)空載磁化曲線，可由電機(jī)的磁路計(jì)算給出�？蛰d磁化曲線OG 與MN 交點(diǎn)e 即為磁極的空載工作點(diǎn)，OH 為空載勵(lì)磁磁勢(shì)。在氣隙均勻分布條件下，可認(rèn)為整個(gè)磁極都近似工作在相同的空載工作點(diǎn)上。略去齒槽效應(yīng)，在整個(gè)極弧計(jì)算寬度下，氣隙磁密均勻分布，其值為0 Bδ 。沿軸向單位長(zhǎng)度的每極磁通可以認(rèn)為等于0 B b δ δ × (bδ 為永磁體寬度)。
為了討論負(fù)載工作點(diǎn)，將磁極極身沿x 方向劃分為無(wú)窮多個(gè)單元，各單元在x 方向上表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)。將圖2 中的空載磁化曲線OG 沿橫軸F 向左右分別連續(xù)平移12F b A δ = 的距離，平移過(guò)程O(píng)G 與MN 線相交成一串連續(xù)的點(diǎn)，其軌跡為e1-e- e2，這些交點(diǎn)便是磁極各點(diǎn)的負(fù)載工作點(diǎn)，其中e2 對(duì)應(yīng)于增磁側(cè)磁極邊緣的工作點(diǎn)，而e1 對(duì)應(yīng)于去磁側(cè)磁極邊緣工作點(diǎn)。由此可見(jiàn)發(fā)電機(jī)在負(fù)載情況下永磁磁極各點(diǎn)的工作點(diǎn)是不同的，各點(diǎn)的氣隙磁密也就隨之不等。增磁側(cè)磁極邊緣的氣隙磁密為2 Bδ ，而去磁側(cè)磁極邊緣的磁密為1 Bδ ， 0 Bδ 對(duì)應(yīng)于磁極中心點(diǎn)的值，該點(diǎn)保持了空載磁密值。2 Bδ 、1 Bδ 、0 Bδ 的連接線表示了負(fù)載時(shí)極面下各點(diǎn)氣隙磁密分布圖(此處略去齒槽效應(yīng))。由于電機(jī)飽和現(xiàn)象的存在，增磁側(cè)磁密的增加少于去磁側(cè)磁密的減小，于是引起每極磁通量的減少。為了方便研究，我們把負(fù)載時(shí)的氣隙磁密進(jìn)行平均等效，即認(rèn)為極面下各點(diǎn)的氣隙磁密值可看為均勻分布，其值將較空載時(shí)的0 Bδ 減少B于是可以得到減少了ΔB的平均氣隙磁密所對(duì)應(yīng)的負(fù)載工作點(diǎn)e3，向左平移OG，使之與MN 線交于e3 點(diǎn)，如圖中Oe3 所示。則OG 線平移的距離F= Δ 即為直軸電樞反應(yīng)去磁磁勢(shì)。本文通過(guò)電機(jī)的磁密設(shè)計(jì)，增大電機(jī)的飽和程度，使得當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，最大限度限制增磁側(cè)的增磁作用，也就是通過(guò)限制增磁作用增大ΔΦ 的值，從而限制電壓上升，達(dá)到限制功率上升的目的。
3、限制功率隨轉(zhuǎn)速上升方案的實(shí)現(xiàn)
前面兩節(jié)我們已經(jīng)知道了永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)靜態(tài)時(shí)的磁場(chǎng)分布規(guī)律和動(dòng)態(tài)時(shí)的磁場(chǎng)變化規(guī)律，并擬出了一套限制輸出功率隨轉(zhuǎn)速上升的方案，此方案是建立在我們對(duì)電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布有準(zhǔn)確的了解的基礎(chǔ)上的，所以必須先設(shè)計(jì)出發(fā)電機(jī)模型，并了解其內(nèi)部磁場(chǎng)分布。
3.1 發(fā)電機(jī)初步模型的形成
第二章中，我們已經(jīng)把風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)、極槽配合和材料選定，永磁路發(fā)設(shè)計(jì)出電機(jī)的初步模型，并將模型導(dǎo)入maxwell2D 仿真，并繼續(xù)優(yōu)化，使得發(fā)電機(jī)的仿格真指標(biāo)相對(duì)嚴(yán)的與給出的設(shè)計(jì)指標(biāo)一致。
離網(wǎng)型永磁同步風(fēng)力發(fā)負(fù)載是通過(guò)不可控橋式整流電路連接的24V 蓄電池，三相不可控整流電路一次側(cè)和二次側(cè)的電壓關(guān)系。Ud = 2.34U (3-1)式中：Ud 是直流側(cè)的輸出電壓;U 是發(fā)電機(jī)一相的輸出電壓。
由上式可知，永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出相電壓應(yīng)略高于10.3V。國(guó)標(biāo)GB T 10760 規(guī)定，風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)滿足在65%額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機(jī)的空載電壓應(yīng)不低于額定電壓。根據(jù)這一設(shè)計(jì)原則初步形成電機(jī)模型，并結(jié)合其負(fù)載情況加以改善，最終得到相對(duì)合理的模型。圖3是經(jīng)maxwell 2D 仿真得到的65%額定轉(zhuǎn)速下的空載反電勢(shì)波形。從圖中可以看出其峰值是14V 左右，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。
由于實(shí)際蓄電池的等效內(nèi)阻不是固定值，引起其變化的因素很多，很難摸清具體變化規(guī)律，仿真中用一固定電阻代替。實(shí)際上國(guó)標(biāo)規(guī)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性的測(cè)定都是在負(fù)載為電阻的情況下測(cè)得的，電阻阻值的大小為使發(fā)電機(jī)輸出電壓高于蓄電池標(biāo)準(zhǔn)電壓2V 時(shí)的阻值。這就意味著給定發(fā)電機(jī)額定功率和所帶蓄電池負(fù)載后便可以確定直流側(cè)的額定電阻值。于是向永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出側(cè)添加負(fù)載電路如圖4 所示。計(jì)算得出其輸出功率為409W，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。
3.2 模型優(yōu)化及其效果
因?yàn)殡姍C(jī)的輸出功率是一個(gè)涉及變量比較多的參數(shù)，為了保證優(yōu)化前后模型的可比性，需要規(guī)定幾個(gè)優(yōu)化原則：
(1)優(yōu)化前后應(yīng)該保證兩模型的輸出電壓、輸出功率、槽滿率等參數(shù)基本一致
(2)為了單純觀察磁密對(duì)功率上升的抑制作用，本課題在對(duì)各速度進(jìn)行負(fù)載仿真計(jì)算時(shí)未加入鐵損計(jì)算。
確定上述優(yōu)化原則后，首先保證發(fā)電機(jī)外徑不變，優(yōu)化齒軛，增大齒軛磁密，得模型一;在得到模型一過(guò)程中，由于齒軛的不斷減小，增大了槽面積，這樣在保證槽滿率的同時(shí)便降低了電流密度，所以減小發(fā)電機(jī)的外徑進(jìn)行優(yōu)化得到模型二。對(duì)兩模型外加圖4 所示的外電路，并對(duì)每個(gè)模型從200r/m 到1000r/m 進(jìn)行負(fù)載仿真得到功率隨轉(zhuǎn)速上升的情況如圖5 所示，圖中比較了初始模型、模型一和二對(duì)功率隨轉(zhuǎn)速上升的抑制效果。
雖然優(yōu)化前后，功率的到了一定的抑制，但效果并不明顯。為了進(jìn)一步加強(qiáng)方案效果，將永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槽型改為梯形槽，這是由于本課題所提方案原理的前提是略去齒槽效應(yīng)，其目的是為了保證電機(jī)定子內(nèi)部磁密分布均勻分布。而從圖6 和7明顯可以看出，后者的磁場(chǎng)分布要比前者均勻，所以將槽型改為體型必定可以加強(qiáng)方案效果。將上述想法付諸實(shí)踐得到模型三，圖8 是模型三與前述三種模型對(duì)功率隨轉(zhuǎn)速上升抑制效果的比較。從圖中可以看出，由于結(jié)構(gòu)的改變，這種抑制效果得到了大幅度的提高，結(jié)果令人滿意。
4、實(shí)驗(yàn)研究
前面，本文給出了實(shí)現(xiàn)抑制功率隨轉(zhuǎn)速過(guò)快上升的方案和原理，并運(yùn)用maxwell 2D 進(jìn)行了仿真分析，為了驗(yàn)證以上研究的正確性，筆者試制了一臺(tái)樣機(jī)，并制作了一套試驗(yàn)系統(tǒng)如圖9 所示。按圖中框圖搭接實(shí)驗(yàn)臺(tái)，得到圖10 中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將系統(tǒng)中的負(fù)載串入兩節(jié)12V 的蓄電池，通過(guò)變頻器控制原動(dòng)機(jī)速度，并拖動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。改變?cè)瓌?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/m 至1000r/m，分別測(cè)得輸出功率，繪得圖11 中的輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。觀察得到：功率在轉(zhuǎn)速超過(guò)400W 以后得到了抑制，增量較小;仿真值雖然略大于實(shí)際值，但相差不多且趨勢(shì)完全一致。綜合整個(gè)實(shí)驗(yàn)分析可以證明本問(wèn)通過(guò)電機(jī)磁密設(shè)計(jì)可以抑制功率隨轉(zhuǎn)速上升的相關(guān)理論是正確的。
5、結(jié)論
本文在分析學(xué)習(xí)了傳統(tǒng)的限制功率隨轉(zhuǎn)速上升的方法，并從電機(jī)磁密優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，提出了新的解決方案。同時(shí)，從原理及maxwell 2D 仿真兩方面驗(yàn)證和證明新的解決方案的可行性。最后，在以上研究基礎(chǔ)上試制樣機(jī)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了理論研究的正確性。
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