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離網(wǎng)型永磁同步風力發(fā)電機安全運行相關(guān)問題的研究
摘要：近些年來，風力發(fā)電憑借其綠色、普遍等優(yōu)點得到了較快的發(fā)展，特別是在沿海山區(qū)等電網(wǎng)不能達到的地方，離網(wǎng)型風力發(fā)電機的運用給當?shù)氐木用窠鉀Q的用電問題。但是風速的不穩(wěn)定性給離網(wǎng)型風力發(fā)電機的負載帶來了沖擊，減小了系統(tǒng)的壽命。本文擺脫了傳統(tǒng)思想中通過控制電路控制輸出功率的方法，嘗試通過對電機本體的優(yōu)化設(shè)計來抑制輸出功率隨轉(zhuǎn)速的上升，從而兼顧系統(tǒng)的復雜程度、成本和可靠性。
關(guān)鍵詞： 離網(wǎng);永磁同步風力發(fā)電機;功率限制
0、引言
隨著經(jīng)濟和技術(shù)的不斷發(fā)展，進入21 世紀以來，人們對能源的需求日趨增長，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)境和能源問題已經(jīng)成為當今人類生存發(fā)展所面臨的最緊迫的問題。在節(jié)約使用現(xiàn)有能源的同時，世界各國正在努力尋求新的主流能源以面對日益嚴重的能源枯竭和環(huán)境污染問題。除了技術(shù)相對比較成熟、目前廣泛應用的水能和核能(核裂變)以外，風能、生物能等新型能源的利用也漸漸受到人們的重視。
中國幅員遼闊，海岸線長，風能資源豐富。其中東南沿海及其附近島嶼地區(qū)風能資源豐富，新疆北部、內(nèi)蒙古、甘肅北部也是我國風能資源豐富的地區(qū)，黑龍江、吉林東部、河北北部及遼東半島的風能資源也較好，青藏高原北部風能也比較豐富，但由于青藏高原海拔高，空氣密度小，所以有效風能密度較低。結(jié)合國內(nèi)外機構(gòu)組織對中國風能資源的普查結(jié)果及2006 年氣象中心對我國風能資源的評價，我國陸上風能技術(shù)可開發(fā)量6 億～10 億千瓦，加上近海區(qū)域總量有7 億～12 億千瓦，儲藏量十分豐富[2]。除能源儲存量豐富的原因之外，結(jié)合我國特殊國情，我國同其他國家相比較發(fā)展風力發(fā)電更具有緊迫性和必要性。我國人口眾多，人口分布面積廣，電網(wǎng)難以完全覆蓋。據(jù)統(tǒng)計，到2005 年我國還有700 萬戶，2800 萬人沒有用上電[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題迫在眉睫。
前述 700 萬沒有用上電的家庭主要分散分布在中國西部省份的邊遠地區(qū)，以及東部沿海的一些島嶼上，通過常規(guī)電網(wǎng)延伸辦法為這些遠距離、低負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)濟能力較差，需要向他們提供廉價的能源。這一切都能通過離網(wǎng)型風力發(fā)電良好結(jié)解決。
本文在研究戶用型的小功率直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機的基礎(chǔ)上，研究發(fā)電機工作時磁場的分布情況，理論分析找出了在臨界速度以上使風力發(fā)電機保證恒功率輸出特性的設(shè)計方法，并將理論付諸于實踐，驗證理論的正確性。
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)電機的轉(zhuǎn)軸直接與風輪相連，其轉(zhuǎn)速完全取決于風輪轉(zhuǎn)速，當風輪轉(zhuǎn)速變化時，必定引起發(fā)電機的電壓和輸出功率的波動，特別是當轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到一個較高的水平時，將會對發(fā)電機本身和蓄電池負載造成一定的損害。所以永磁同步風力發(fā)電機的功率控制問題一直是一個熱門問題，國內(nèi)外很多學者都對此控制方法進行過研究，并取得了一定的成果。
當風速超過額定轉(zhuǎn)速并不斷升高時，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)當風速升高時，通過風機系統(tǒng)的特殊設(shè)計來抑制功率上升。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)行機構(gòu)，整機結(jié)構(gòu)簡單、部件少、造價低，具有較高的安全系數(shù)。但這種控制方式依賴于葉片獨特的翼型結(jié)構(gòu)，葉片結(jié)構(gòu)復雜，失速動態(tài)特性不易控制。另一種思路叫做變槳距控制，風輪上添加了槳距變動機構(gòu)，當風速升高時，此機構(gòu)發(fā)揮作用，增大風機槳矩角，使得葉片攻角減小以降低風能捕獲。這種方式是根據(jù)風葉轉(zhuǎn)速的反饋加以控制的，所以控制準確，效果好。但是，由于變槳距執(zhí)行機構(gòu)多采用液壓傳動或電動伺服機構(gòu)，故執(zhí)行速度較慢。而且，增加的槳矩執(zhí)行和控制機構(gòu)增大了整個系統(tǒng)的成本，降低了可靠性。也有人提出將兩種思路組合構(gòu)成主動失速控制，這里不再贅述。
(2)當風速升高時，通過改變發(fā)電機定子電流來抑制功率上升。隨著轉(zhuǎn)速增加，當發(fā)電機端電壓或輸出功率達到限制時，保持交軸電流不變，適當?shù)脑龃笾陛S的去磁分量，通過弱磁控制發(fā)電機的輸出功率和輸出電壓。
通過對以上兩種方法的分析，我們看到了一個共性，就是無論哪種方法都需要在風電系統(tǒng)中加入額外的控制或者執(zhí)行機構(gòu)，這增加了系統(tǒng)的成本和復雜性，降低了可靠性。本文試圖通過永磁同步風力發(fā)電機本身的高磁密優(yōu)化設(shè)計，增加電機工作的飽和度，從而實現(xiàn)在直驅(qū)式風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高時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)生的磁通會根據(jù)電機的磁路結(jié)構(gòu)均勻的分布在電機內(nèi)部。而在負載情況下，由于負載電流的存在，電樞磁勢沿電樞表面的分布，在中心線x=0處，電樞磁勢為零，隨著x 的增加，電樞磁勢F = xA(A為電機的線負荷)也正比例增大(不是嚴格的線性)，電樞磁勢的最大值位于x = ±τ 2處(τ 為極距)，此時m 2 F A τ= 。圖中所示的原點右側(cè)電樞磁勢起增磁作用，左側(cè)起去磁作用，最大的增磁與去磁磁勢分別作用于x = ±b 2處，其磁勢為12F = bA，b 為極弧計算寬度。若電機處于線性狀態(tài)，則增磁作用與去磁作用彼此相互抵消。但是實際上電機中存在飽和現(xiàn)象，電樞磁勢起增磁作用的一側(cè)，其飽和度就更趨嚴重，使磁通不易增加。而去磁側(cè)的磁通卻相應減少，這就造成電樞磁勢的增磁和去磁不平衡。在計及飽和現(xiàn)象時，電樞反應會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，而去磁作用越強，這種影響就愈加強烈[5]。
現(xiàn)在結(jié)合永磁磁極的空載與負載工作點來說明。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 是電機空載磁化曲線，可由電機的磁路計算給出�？蛰d磁化曲線OG 與MN 交點e 即為磁極的空載工作點，OH 為空載勵磁磁勢。在氣隙均勻分布條件下，可認為整個磁極都近似工作在相同的空載工作點上。略去齒槽效應，在整個極弧計算寬度下，氣隙磁密均勻分布，其值為0 Bδ 。沿軸向單位長度的每極磁通可以認為等于0 B b δ δ × (bδ 為永磁體寬度)。
為了討論負載工作點，將磁極極身沿x 方向劃分為無窮多個單元，各單元在x 方向上表現(xiàn)為一個點。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，平移過程OG 與MN 線相交成一串連續(xù)的點，其軌跡為e1-e- e2，這些交點便是磁極各點的負載工作點，其中e2 對應于增磁側(cè)磁極邊緣的工作點，而e1 對應于去磁側(cè)磁極邊緣工作點。由此可見發(fā)電機在負載情況下永磁磁極各點的工作點是不同的，各點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 對應于磁極中心點的值，該點保持了空載磁密值。2 Bδ 、1 Bδ 、0 Bδ 的連接線表示了負載時極面下各點氣隙磁密分布圖(此處略去齒槽效應)。由于電機飽和現(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，我們把負載時的氣隙磁密進行平均等效，即認為極面下各點的氣隙磁密值可看為均勻分布，其值將較空載時的0 Bδ 減少B于是可以得到減少了ΔB的平均氣隙磁密所對應的負載工作點e3，向左平移OG，使之與MN 線交于e3 點，如圖中Oe3 所示。則OG 線平移的距離F= Δ 即為直軸電樞反應去磁磁勢。本文通過電機的磁密設(shè)計，增大電機的飽和程度，使得當轉(zhuǎn)速升高時，最大限度限制增磁側(cè)的增磁作用，也就是通過限制增磁作用增大ΔΦ 的值，從而限制電壓上升，達到限制功率上升的目的。
3、限制功率隨轉(zhuǎn)速上升方案的實現(xiàn)
前面兩節(jié)我們已經(jīng)知道了永磁同步風力發(fā)電機靜態(tài)時的磁場分布規(guī)律和動態(tài)時的磁場變化規(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電機內(nèi)部的磁場分布有準確的了解的基礎(chǔ)上的，所以必須先設(shè)計出發(fā)電機模型，并了解其內(nèi)部磁場分布。
3.1 發(fā)電機初步模型的形成
第二章中，我們已經(jīng)把風力發(fā)電機的主要結(jié)構(gòu)、極槽配合和材料選定，永磁路發(fā)設(shè)計出電機的初步模型，并將模型導入maxwell2D 仿真，并繼續(xù)優(yōu)化，使得發(fā)電機的仿格真指標相對嚴的與給出的設(shè)計指標一致。
離網(wǎng)型永磁同步風力發(fā)負載是通過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)電機一相的輸出電壓。
由上式可知，永磁同步發(fā)電機的輸出相電壓應略高于10.3V。國標GB T 10760 規(guī)定，風力發(fā)電機應滿足在65%額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機的空載電壓應不低于額定電壓。根據(jù)這一設(shè)計原則初步形成電機模型，并結(jié)合其負載情況加以改善，最終得到相對合理的模型。圖3是經(jīng)maxwell 2D 仿真得到的65%額定轉(zhuǎn)速下的空載反電勢波形。從圖中可以看出其峰值是14V 左右，滿足設(shè)計指標。
由于實際蓄電池的等效內(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。實際上國標規(guī)定風力發(fā)電機特性的測定都是在負載為電阻的情況下測得的，電阻阻值的大小為使發(fā)電機輸出電壓高于蓄電池標準電壓2V 時的阻值。這就意味著給定發(fā)電機額定功率和所帶蓄電池負載后便可以確定直流側(cè)的額定電阻值。于是向永磁同步風力發(fā)電機輸出側(cè)添加負載電路如圖4 所示。計算得出其輸出功率為409W，滿足設(shè)計指標。
3.2 模型優(yōu)化及其效果
因為電機的輸出功率是一個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)定幾個優(yōu)化原則：
(1)優(yōu)化前后應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功率上升的抑制作用，本課題在對各速度進行負載仿真計算時未加入鐵損計算。
確定上述優(yōu)化原則后，首先保證發(fā)電機外徑不變，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便降低了電流密度，所以減小發(fā)電機的外徑進行優(yōu)化得到模型二。對兩模型外加圖4 所示的外電路，并對每個模型從200r/m 到1000r/m 進行負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。為了進一步加強方案效果，將永磁同步風力發(fā)電機的槽型改為梯形槽，這是由于本課題所提方案原理的前提是略去齒槽效應，其目的是為了保證電機定子內(nèi)部磁密分布均勻分布。而從圖6 和7明顯可以看出，后者的磁場分布要比前者均勻，所以將槽型改為體型必定可以加強方案效果。將上述想法付諸實踐得到模型三，圖8 是模型三與前述三種模型對功率隨轉(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、實驗研究
前面，本文給出了實現(xiàn)抑制功率隨轉(zhuǎn)速過快上升的方案和原理，并運用maxwell 2D 進行了仿真分析，為了驗證以上研究的正確性，筆者試制了一臺樣機，并制作了一套試驗系統(tǒng)如圖9 所示。按圖中框圖搭接實驗臺，得到圖10 中的實驗系統(tǒng)。將系統(tǒng)中的負載串入兩節(jié)12V 的蓄電池，通過變頻器控制原動機速度，并拖動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。改變原動機轉(zhuǎn)速從200r/m 至1000r/m，分別測得輸出功率，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400W 以后得到了抑制，增量較小;仿真值雖然略大于實際值，但相差不多且趨勢完全一致。綜合整個實驗分析可以證明本問通過電機磁密設(shè)計可以抑制功率隨轉(zhuǎn)速上升的相關(guān)理論是正確的。
5、結(jié)論
本文在分析學習了傳統(tǒng)的限制功率隨轉(zhuǎn)速上升的方法，并從電機磁密優(yōu)化設(shè)計入手，提出了新的解決方案。同時，從原理及maxwell 2D 仿真兩方面驗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、設(shè)計實驗系統(tǒng)，分析實驗數(shù)據(jù)，并與仿真數(shù)據(jù)進行比較，驗證了理論研究的正確性。
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