永磁同步發電機并聯電容勵磁方法研究

摘要：永磁同步發電機在小型風力發電系統中具有特殊優勢，因此得以廣泛使用。但是，永磁風力發電機勵磁不可調，電壓難以穩定。小型機組為了節約成本，放棄使用性能更優異的永磁材料和控制技術，只能在較窄的風速區間內運行以保證安全穩定。采用發電機端并聯電容動態勵磁的方法，在穩定機端電壓的前提下節約了成本，拓展了風速利用區間；推導了變風速下電容投切量公式，為提出更精確的電容分組策略奠定了基礎，Simulink的仿真結果表明了方法的有效性和公式的正確性。

關鍵詞：風力發電；永磁同步發電機；并聯電容；勵磁

作者簡介：陳翰林（1981-），男，河南沁陽人，中國石油工程建設公司，工程師。（北京 100101）李爭輝（1987-），男，河南焦作人，中國農業大學信息與電氣工程學院碩士研究生。（北京 100083）

中圖分類號：TM313 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）26-0212-03

小型風力發電機組常使用永磁同步發電機，具有機動性高、使用多元化、可量身定制、使用方便等優點。[1]但在實際運行中仍然面臨著許多問題：自然環境條件比較惡劣，而且受安裝高度以及不能遠離用戶的限制，風機工作在風速較低且風速無規則變化的區域，風機額定風速大時其發電量與用戶的期望相去甚遠；更加小型的永磁發電機其額定容量較小，且考慮到單位有功功率的成本問題，好的材料和控制技術無法使用，可選的材料和技術非常有限，造成電壓和輸出功率不能滿足要求；我國小型風機額定轉速定的很低，主要是希望能較長時間滿足用戶的用電需要，但這樣就把風能的有效利用區間限制得很窄，不利于風能的充分利用；風能與風速的三次方成正比，額定風速定得低，同等功率下永磁發電機的成本要高很多，且處于限速狀態的時間長，相應產生故障的機會大，產品生產的技術難度也增大。

因此，對于獨立運行的小型永磁風力發電機需要在保證輸出電壓穩定以及發電量充足的前提下盡量降低成本。

一、并聯電容勵磁的基本原理

永磁同步發電機采用永磁體磁鋼，轉子磁場不可調，主要從兩個方面穩壓：[2]一是適當選擇發電機本身的電磁參數，使外特性曲線設計平坦，使負載運行時電壓調整率不超過允許值；二是外部加電容器或者電抗器來穩定電壓。

圖1為永磁同步發電機的U=f（n）曲線，圖中橫坐標風速線性增大，縱坐標示意發電機的電壓特性。實際上，風能具有隨機性和變化性，導致永磁同步風力發電機的輸出電壓不穩定：當風速過大時（圖中n2以上），高輸出電壓會燒毀發電機以及后端的整流器件；當風速過小時（圖中n1以下），低輸出電壓會導致發電機后端的設備（整流器、蓄電池充電器、逆變器等）因低壓截止工作。

此外，永磁發電機在制造時如果額定風速定得較低，為了要滿足工作要求，同等功率的電機重量往往是國外的3～5倍，由于永磁材料價格高昂，使成本大大增加。在不采取任何措施的情況下，風速變化時其電壓特性即為直線1所示，可以看到其最高工作風速只能在a點，且由于勵磁不可調，電壓變化率較大，只能利用區間I 中的風能。

考慮并聯電容動態勵磁方法時，可以在發電機設計時將額定風速定得較高，同等功率電機的成本大大減小，低風速時電壓下降的問題可以由電容動態投切解決。并聯電容時電壓特性為直線2所示，可見其最高工作風速達到b，擴展了可利用風速區間Ⅲ。當風速逐漸減小時，電容動態的投入使電壓基本保持恒定，甚至在切入風速以下繼續工作，這樣便拓展了可利用風速區間Ⅱ?？梢姴⒙撾娙輨討B勵磁的方法不僅可以穩定電壓，而且提高了風能利用率，獲得更多的有功功率輸出，且電容的價格遠遠低于永磁材料。

二、并聯電容投切量計算方法

并聯電容穩壓方法在許多地方均有應用，但已有電容器分組方法比較粗略，即求得最大補償電容量后，將其按比例分組。

然而考慮風速變化的隨機性大，已有的分組方法并不能滿足需要。由可知電容無功出力是多因素影響的變量，而且各個影響因素之間又相互影響，因此并聯電容器組的投切量需要重新計算。假設永磁同步發電機在某風速n1下，每相并聯電容量為C1（星接），此時電壓穩定在額定電壓U1。當風速變化為n2時，假設變化后測得輸出電壓為U2。由可以推知，風速變化導致頻率f的變化和電壓變化，均會使電容的無功出力發生變化。為了便于研究，先假設某些變量恒定：

當頻率f1恒定、電容量C恒定，電壓由額定值U1變為U2時有：

（1）

當電容量C恒定、電壓U1恒定，頻率由額定值f1變為f2時有：

（2）

以單相電容的無功出力計算，對于外部條件變化時的無功功率差額，可有以下推導：

（3）

假設電容補償后的目標電壓為額定電壓U1，可理解為額定電壓下的原電容C1在新轉速下的無功出力，此時原電容的無功出力在新轉速下已不符合要求。

令：

（4）

則左邊電容C表示需要投切的電容量，即：

（5）

對于永磁同步風力發電機來說，在其他各參數恒定時頻率與電壓成正比，因此易確定上式的正負號，于是有：

（6）

需要注意，由于風速連續變化以及電容的動態變化，獨立運行的永磁同步發電機沒有嚴格意義上的額定頻率，每當電壓在新的風速n2、新的并聯電容C2=C1±C的情況下回到額定值U1時，其所對應的頻率f1即為下一次計算電容投切量的額定頻率，所以公式（6）類似于“遞推公式”。利用公式（6）結合當地風速分布情況、負荷情況，在吸收更多數據后可以計算出電容投切量變化表，以便更精確地制訂電容分組策略。

三、并聯電容勵磁永磁風力發電機Simulink仿真

選用文獻中永磁同步發電機的參數，[3]對Simulink里的永磁發電機模型進行初始化設置并搭建仿真電路。需要說明的是，作為發電機勵磁特性理論研究，使用線性函數模擬風速，實際情況需使用隨機函數模擬。

1.正常運行驗證仿真

首先用永磁同步發電機帶額定負載（cosφ=0.8），使用Ramp函數模擬線性變化的風速仿真。初始風速為90rad/s，斜率為10，仿真時間12秒，則最終風速為210rad/s，使用飽和模塊將其下限設為107.42rad/s（1000r/min），上限設為198.97rad/s（1900r/min），仿真波形如圖2所示。

下限風速時輸出相電壓約為153.3V，上限風速時相電壓約為275.5V，可見無論在低風速或是高風速區域，輸出電壓均超出額定相電壓的±5%，此時發電機后端的設備將截止工作或需要切除，即過低或過高區域的風速不能利用。如按照±5%電壓誤差的要求，發電機端的電壓需要穩定在219～243V之間。在無電容勵磁的情況下，只有在154～173rad/s，即約在1470～1655r/min區間內的風速可以利用，可利用范圍小。

2.并聯電容運行仿真

加入三相200μF星接電容進行仿真，其相電壓波形如圖3所示。需要說明的是，最大并聯電容可根據需要選擇，電容越大電壓越高，可利用的風速下限也更低。但是仿真結果表明，電容值過大會在一定頻率產生諧振，導致電壓波形發散。按照±5%電壓誤差的要求，從仿真結果可以看出，可利用風速為124rad/s（1184r/min）至133rad/s（1270r/min），且風速變大時電壓逐漸非線性迅速增大。

在電壓波形中找到額定電壓峰值U1=231V，約在3.8s處，對應額定轉速為128rad/s，則此時額定頻率f1=20.372HZ。約在4.2s處電壓達到U2=243V，即可利用的最大風速為132rad/s，對應的頻率f2=21HZ。假設在電壓越過U2瞬間切除部分電容，使電壓回歸額定值U1，則依據公式（6）可求得需要切除的電容量C=27.3μF。

設計開關同時動作模擬電容按量投切。將最大風速設置為，補償電容，，斷路器1和2在4.2s同時動作，斷路器1由閉到開，斷路器1由開到閉，實際效果相當于切除了電容。如圖4所示，電壓在切除電容后穩定于231.5V左右，十分接近額定相電壓。

3.動態勵磁可利用風速范圍仿真

假設風速線性增大時，在輸出電壓超過上限時切除公式（6）計算所得電容，便能使電壓重新回到額定值，達到動態勵磁的效果。

設計仿真步驟如下：在上一步仿真結果的基礎上，令風速繼續線性增大，約在4.7s時電壓超過上限，風速為137rad/s，即f1=21.804HZ。上一步的f2變為新的額定頻率f1=21HZ，U2=243V，U1=231V。經過計算需要切除的電容為C=24.8μF，則設計新的電容C3=172.7-24.8=147.9μF，斷路器3與斷路器2同時動作，局部仿真結果如圖5所示。

假設隨著風速增大不斷的切除電容，或隨著風速減小不斷的投入電容，則電壓可在更廣的風速范圍內穩定于額定電壓±5%范圍內。由以上仿真可以看出，當200μF星接電容全部投入時，最小可利用風速為124rad/s（1184r/min）。當電容全部切除時，最大可利用風速為173rad/s（1655r/min），相比無電容勵磁和固定電容勵磁風速利用范圍大得多，如表1所示。

=、結論

并聯電容勵磁有效解決了小型永磁同步發電機技術要求和投入成本之間的矛盾。并聯電容投切量的推導為提出更精確合理的并聯電容器分組策略奠定了基礎。該方法不僅可以在風速變化時穩定電壓，而且有效拓展了可利用風速區間，即提高了發電量，創造出更高的經濟效益。因為電容的投入，發電機的額定風速可以定得較高，從而使永磁電機重量下降，大大節約成本。

參考文獻：

[1]關新，吳偉.我國中小型風力發電機組的應用與問題分析[J].太陽能，2011，（15）.

[2]梁寧寧，李兆寧，孔令志.稀土永磁同步發電機穩壓方法的研究[J].光電技術應用，2004，（3）.

[3]唐任遠.現代永磁同步電機設計[M].北京：機械工業出版社，1997.

（責任編輯：王祝萍）