永磁發電機在離網型風電系統中運行特性的測試分析

溫彩鳳 ， 汪建文 ， 代元軍 ， 劉雄飛 ， 車 飛

（1.內蒙古工業大學能源與動力學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古可再生能源重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；3.呼和浩特職業學院，內蒙古 呼和浩特 010051；4.新疆工業高等專科學校，新疆 烏魯木齊 830091）

0 引 言

我國地域遼闊，地形復雜，開展獨立運行的風力發電設備研究，不僅可以解決電網無法達到的農村、牧區、邊防哨所等地區用電，還可以改善環境、緩解電力供應緊張狀況[1]。

理論上，各種發電機均能適用于離網型風力發電系統[2]。永磁同步發電機沒有勵磁繞組和勵磁裝置，不消耗勵磁功率，還可省去滑環和電刷，與電勵磁發電機比較，具有損耗小、效率高、結構簡單、可靠性高等突出優點，且在低轉速下也能發電，所以永磁同步發電機以其優異的性能被廣泛應用到離網型風力發電系統[3-4]。文中以最適合離網型風電的發電機為目標，以某400W離網型風力發電的永磁同步發電機為研究對象，搭建了發電機特性綜合測試平臺，進行了發電機性能的各種測試，包括空載特性、輸出特性、效率特性、外特性和轉矩特性，并分析了運行特性曲線。

1 離網型風電對發電機的技術要求

離網型風力發電大多為單機運行，原理如圖1所示。發電機輸出的三相交流電經整流穩壓后，向蓄電池充電后再給直流負載供電或逆變后給交流負載供電。針對某400W風力發電機對電機的技術要求和實際應用場合等情況，提出了風力發電機應具備以下6點條件[5]：

（1）發電機的工作轉速范圍1kW及以下為65%~150%額定轉速；

（2）在65%額定轉速下，發電機的空載電壓應不低于額定電壓；

（3）當發電機在額定電壓下并輸出額定功率時，其轉速應不大于105%額定轉速；

（4）在最大工作轉速下，發電機應能承受輸出功率增大至1.5倍額定值的過載運行，歷時5min；

（5）在空載條件下，400W發電機的起動力矩應不大于0.5N·m；

（6）發電機額定運行時，其輸出交流電壓的頻率不小于20Hz。

圖1 小型永磁風力發電的原理圖

2 發電機運行特性測試系統及其框圖

發電機特性綜合測試系統如圖2和圖3所示。采用VVVF交交變頻器控制的額定功率為1kW、額定轉速為1400r/min的三相異步電機，經傳動比近似為1∶1的傳動機構，驅動永磁同步風力發電機以不同的轉速運行。在傳動機構上安裝了JW-1型扭矩儀，其顯示器將扭矩、轉速和功率值即時顯示，并配套了數字示波器、EDA9033G數據采集器、萬用表、固定阻性負載和可調變阻器。

圖2 測試系統

圖3 EDA9033G數據采集系統

測試系統整體框圖如圖4所示，被測風力永磁發電機基本參數如表1所示。額定功率400W，額定轉速為750r/min，額定輸出電壓DC值24V，額定電流16.7 A，測量過程將工作轉速范圍設定在65%~150%額定轉速。系統中使用EDA9033G數據采集器，將永磁同步發電機的三相交流電壓、電流、總功率、有功功率、無功功率及功率因素等參數同時采集、顯示和存儲，數字示波器可隨時觀測輸出電壓波形的正弦特性，每次改變負載和可調變阻器后的總阻值用萬用表測出。該測試系統經過試驗運行，能夠準確有效地完成測試任務，測量過程實現了全自動化、專業化和連續化，測試所得數據切實可靠。

3 發電機運行特性曲線擬合及分析

3.1 空載特性曲線

發電機空載時，發電機端電壓與轉速的關系，稱為空載特性。即I=0時，U=f（n）的函數關系，空載特性是判斷發電機低速充電性能好壞的重要依據，同時也可以反映發電機的輸出電壓隨轉速變化的規律。如圖5所示，空載時發電機的起始建壓轉速為29.7r/min，且轉速在488r/min（額定轉速750r/min×65%）時，輸出直流電壓為28.8V，已大于有載時額定電壓24V，起動力矩為0.136 N·m，小于國標0.5N·m。

圖4 試驗系統框圖

表1 400W風力永磁發電機參數

圖5 空載特性曲線

3.2 輸出特性曲線

輸出特性又稱負載特性，它是指發電機向負載供電時，發電機電流隨著轉速變化的規律，即I=f（n）的函數關系。如圖6所示，從曲線中可以看出，當轉速達到一定值后，發電機的輸出電流幾乎不再繼續增加，這是由于隨著定子繞組中感應電動勢的增加，定子繞組的阻抗也隨著轉速的升高而增加，另外定子電流增加時，電樞反應的增強會使感應電動勢下降，從而抑制了電流的不斷上升。因此，該永磁同步發電機具有限制輸出電流的能力，符合交流發電機不設置限流器的特點。

圖6 輸出特性曲線

3.3 效率特性曲線

測試系統所測風力永磁同步發電機的效率定義為 η=ξ×（P2/P1）×100%，其效率與轉速的關系曲線如圖7所示。其中：P1為三相異步電動機的輸入功率（W），由扭矩儀感應顯示；P2為永磁同步發電機的輸出功率，由采集器EDA9033G采集顯示；ξ連接電動機與發電機的軸傳動比，由于是直接驅動式，所以忽略連軸器之間的微摩擦損耗后取1。測量時，按照標準測試法，將發電機的轉速分別設在65%、80%、100%、125%和150%額定轉速下[6]，且在額定轉速以下輸出電壓為額定值，在額定轉速以上，保持額定功率時的負載電阻值不變，采取直接負載法（純電阻）測定此時發電機的輸入輸出功率，求得對應的效率。其轉速與效率、轉速與輸入輸出功率的關系曲線如圖7和圖8所示。

圖7說明發電機在額定轉速左右時效率較大，額定轉速時效率最大為69.8%。圖8中轉速從700～750 r/min時，輸入功率和輸出功率曲線逐漸接近，且在750 r/min時最接近，說明此時效率最大；在750 r/min以后，兩曲線隨著轉速增加越來越遠，意味著效率降低，當然輸入不同，輸出也不同，但曲線變化趨勢幾乎一樣。

圖7 效率特性曲線

圖8 轉速與功率曲線

3.4 外特性曲線

外特性是指轉速一定、負載的大小改變時，發電機的端電壓與輸出電流的關系。即n=常數時，U=f（I）的曲線，如圖9所示。在轉速變化時，發電機端電壓有較大變化，在轉速恒定時，由于輸出電流的變化對端電壓影響也很大，因此，要使輸出電流穩定，必須配用電壓調節器。高速時，當發電機突然失去負載，輸出電流迅速下降至零，導致端電壓急劇升高，會對風力系統的電氣設備產生擊穿性破壞，所以要避免這種現象發生。

圖9 外特性曲線

3.5 轉矩特性曲線

發電機轉矩是衡量其驅動特性和輸出能力好壞的一個重要指標，其中包括靜態轉矩和動態轉矩。靜態轉矩是靜止轉矩和勻速轉動轉矩的統稱，動態轉矩是隨負載和轉速變化的轉矩。該文靜態轉矩只考慮發電機起始建壓轉矩，為0.136 N·m，著重研究動態轉矩。諸多因素影響著永磁發電機的轉矩特性，文中就離網型風電所用永磁發電機而言，僅考慮軸輸入功率、輸出功率、轉速、負載及輸出電流與轉矩的關系。其中轉矩與效率、輸出電流和輸出功率的關系曲線如圖10所示，轉矩增大，輸出電流線性增大，效率增大到最大值后又緩慢下降，功率非線性地增大。

圖10 負載一定且為32Ω時轉矩、效率與電流曲線

轉速、負載與轉矩的關系如圖11所示。由圖可見，當負載一定時，轉矩隨轉速的增加而增加；同一轉速下，負載越大，轉矩越大。轉矩與輸入功率和轉速的變化關系如圖12所示。每一軸輸入功率對應特定轉速下轉矩最大，此時輸出電流也最大，充入蓄電池電能最多，并且輸入功率越大，輸出最大轉矩所對應的轉速也越大，說明出力也大。

圖11 負載、轉速與轉矩曲線

圖12 轉矩、功率與轉速曲線

4 發電機的性能評析及最佳特性

4.1 試驗發電機的性能評析

該風力發電機采用稀土永磁材料勵磁，省去了電刷和集電環，減少了維護，提高了可靠性；發電機的效率相對較高，起動阻力轉矩較小，僅為0.136N·m，且在較低轉速時便于起動；轉速在765 r/min（于750 r/min×105%）時，輸出額定功率400W和額定電壓24V，且額定運行時，輸出交流電壓的頻率為45.8Hz，符合國標超過20Hz的標準；過載能力較強，在最大轉速下，能夠輸出628W（大于400W的1.5倍）功率，且持續時長10 min停機后，發電機完好無恙。綜上，該發電機性能優異，應運于離網型風力發電系統中時，由風輪直接耦合驅動，使整機結構得以簡化，裝置重量減輕，造價降低，并且能夠改善風力發電機的低速發電性能和超載能力，從而提高了風能利用程度。

4.2 適合于離網型風電的發電機最佳特性

上述400W風力發電的永磁同步發電機經過大量的實驗和理論論證，各項性能指標基本符合國家標準，也能夠較好地應運在風電系統中。但由于離網型風電的特殊性和運行環境的復雜性，發電機要表現出最佳特性應再加以下3點要求：

（1）當輸出達到額定功率時，隨著轉速的增大，輸出功率變化很小，能夠保持最好；

（2）為了充分利用低風速段，微風就能發電，發電機的起始建壓轉速越小越好；

（3）發電機轉速超出額定值時，除了具有強過載能力，自身應具有良好的散熱功能。

5 結束語

該文依據國家風力機械標準，主要對小型風力發電機所用永磁同步發電機的性能測試技術進行了探討，并搭建了發電機特性綜合測試平臺，系統地闡述了電動機直接驅動式測試技術的方法、步驟和內容。依據測試結果，擬合了發電機運行特性曲線。通過各曲線的分析研究，對該400W風力發電的永磁同步發電機的性能作了合理評析，并結合離網型風力發電實際運行情況，對發電機表現出最佳運行特性附加了幾點要求，為進一步深入研究奠定了基礎。

[1]王曉港，翟慶志，楊德昌.離網型風電系統的現狀[J].新能源，2008，257（10）：46-47.

[2]竇一平，陳海鎮.稀土永磁同步發電機外特性的向量法分析[J].南京航空航天大學學報，1999，31（3）：312-317.

[3]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，2008，1（5）：273-307.

[4]Arifujjaman M，Iqbal M T. Energy capture by a small wind-energyconversion system [J].Applied Energy，2008，85（1）：41-45.

[5]風力機械標準匯編：2006/全國風力機械標準化技術委員會，中國農機工業協會風力機械分會編[M].北京：中國標準出版社，2006，11（1）：576-578.

[6]GB/T 19068.2—2003離網型風力發電機組試驗方法[M].北京：中國標準出版社，2003.