永磁發(fā)電機在離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)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(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古可再生能源重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.呼和浩特職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；4.新疆工業(yè)高等專科學(xué)校，新疆 烏魯木齊 830091）

0 引 言

我國地域遼闊，地形復(fù)雜，開展獨立運行的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備研究，不僅可以解決電網(wǎng)無法達(dá)到的農(nóng)村、牧區(qū)、邊防哨所等地區(qū)用電，還可以改善環(huán)境、緩解電力供應(yīng)緊張狀況[1]。

理論上，各種發(fā)電機均能適用于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[2]。永磁同步發(fā)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(huán)和電刷，與電勵磁發(fā)電機比較，具有損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等突出優(yōu)點，且在低轉(zhuǎn)速下也能發(fā)電，所以永磁同步發(fā)電機以其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用到離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[3-4]。文中以最適合離網(wǎng)型風(fēng)電的發(fā)電機為目標(biāo)，以某400W離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機為研究對象，搭建了發(fā)電機特性綜合測試平臺，進(jìn)行了發(fā)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(zhuǎn)矩特性，并分析了運行特性曲線。

1 離網(wǎng)型風(fēng)電對發(fā)電機的技術(shù)要求

離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電大多為單機運行，原理如圖1所示。發(fā)電機輸出的三相交流電經(jīng)整流穩(wěn)壓后，向蓄電池充電后再給直流負(fù)載供電或逆變后給交流負(fù)載供電。針對某400W風(fēng)力發(fā)電機對電機的技術(shù)要求和實際應(yīng)用場合等情況，提出了風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)具備以下6點條件[5]：

（1）發(fā)電機的工作轉(zhuǎn)速范圍1kW及以下為65%~150%額定轉(zhuǎn)速；

（2）在65%額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機的空載電壓應(yīng)不低于額定電壓；

（3）當(dāng)發(fā)電機在額定電壓下并輸出額定功率時，其轉(zhuǎn)速應(yīng)不大于105%額定轉(zhuǎn)速；

（4）在最大工作轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機應(yīng)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(fā)電機的起動力矩應(yīng)不大于0.5N·m；

（6）發(fā)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(fēng)力發(fā)電的原理圖

2 發(fā)電機運行特性測試系統(tǒng)及其框圖

發(fā)電機特性綜合測試系統(tǒng)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(zhuǎn)速為1400r/min的三相異步電機，經(jīng)傳動比近似為1∶1的傳動機構(gòu)，驅(qū)動永磁同步風(fēng)力發(fā)電機以不同的轉(zhuǎn)速運行。在傳動機構(gòu)上安裝了JW-1型扭矩儀，其顯示器將扭矩、轉(zhuǎn)速和功率值即時顯示，并配套了數(shù)字示波器、EDA9033G數(shù)據(jù)采集器、萬用表、固定阻性負(fù)載和可調(diào)變阻器。

圖2 測試系統(tǒng)

圖3 EDA9033G數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測試系統(tǒng)整體框圖如圖4所示，被測風(fēng)力永磁發(fā)電機基本參數(shù)如表1所示。額定功率400W，額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速范圍設(shè)定在65%~150%額定轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中使用EDA9033G數(shù)據(jù)采集器，將永磁同步發(fā)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(shù)同時采集、顯示和存儲，數(shù)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(fù)載和可調(diào)變阻器后的總阻值用萬用表測出。該測試系統(tǒng)經(jīng)過試驗運行，能夠準(zhǔn)確有效地完成測試任務(wù)，測量過程實現(xiàn)了全自動化、專業(yè)化和連續(xù)化，測試所得數(shù)據(jù)切實可靠。

3 發(fā)電機運行特性曲線擬合及分析

3.1 空載特性曲線

發(fā)電機空載時，發(fā)電機端電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，稱為空載特性。即I=0時，U=f（n）的函數(shù)關(guān)系，空載特性是判斷發(fā)電機低速充電性能好壞的重要依據(jù)，同時也可以反映發(fā)電機的輸出電壓隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。如圖5所示，空載時發(fā)電機的起始建壓轉(zhuǎn)速為29.7r/min，且轉(zhuǎn)速在488r/min（額定轉(zhuǎn)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(biāo)0.5N·m。

圖4 試驗系統(tǒng)框圖

表1 400W風(fēng)力永磁發(fā)電機參數(shù)

圖5 空載特性曲線

3.2 輸出特性曲線

輸出特性又稱負(fù)載特性，它是指發(fā)電機向負(fù)載供電時，發(fā)電機電流隨著轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，即I=f（n）的函數(shù)關(guān)系。如圖6所示，從曲線中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，發(fā)電機的輸出電流幾乎不再繼續(xù)增加，這是由于隨著定子繞組中感應(yīng)電動勢的增加，定子繞組的阻抗也隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，另外定子電流增加時，電樞反應(yīng)的增強會使感應(yīng)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(fā)電機具有限制輸出電流的能力，符合交流發(fā)電機不設(shè)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(tǒng)所測風(fēng)力永磁同步發(fā)電機的效率定義為 η=ξ×（P2/P1）×100%，其效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)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(yīng)顯示；P2為永磁同步發(fā)電機的輸出功率，由采集器EDA9033G采集顯示；ξ連接電動機與發(fā)電機的軸傳動比，由于是直接驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)測試法，將發(fā)電機的轉(zhuǎn)速分別設(shè)在65%、80%、100%、125%和150%額定轉(zhuǎn)速下[6]，且在額定轉(zhuǎn)速以下輸出電壓為額定值，在額定轉(zhuǎn)速以上，保持額定功率時的負(fù)載電阻值不變，采取直接負(fù)載法（純電阻）測定此時發(fā)電機的輸入輸出功率，求得對應(yīng)的效率。其轉(zhuǎn)速與效率、轉(zhuǎn)速與輸入輸出功率的關(guān)系曲線如圖7和圖8所示。

圖7說明發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速左右時效率較大，額定轉(zhuǎn)速時效率最大為69.8%。圖8中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速增加越來越遠(yuǎn)，意味著效率降低，當(dāng)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(zhuǎn)速與功率曲線

3.4 外特性曲線

外特性是指轉(zhuǎn)速一定、負(fù)載的大小改變時，發(fā)電機的端電壓與輸出電流的關(guān)系。即n=常數(shù)時，U=f（I）的曲線，如圖9所示。在轉(zhuǎn)速變化時，發(fā)電機端電壓有較大變化，在轉(zhuǎn)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(wěn)定，必須配用電壓調(diào)節(jié)器。高速時，當(dāng)發(fā)電機突然失去負(fù)載，輸出電流迅速下降至零，導(dǎo)致端電壓急劇升高，會對風(fēng)力系統(tǒng)的電氣設(shè)備產(chǎn)生擊穿性破壞，所以要避免這種現(xiàn)象發(fā)生。

圖9 外特性曲線

3.5 轉(zhuǎn)矩特性曲線

發(fā)電機轉(zhuǎn)矩是衡量其驅(qū)動特性和輸出能力好壞的一個重要指標(biāo)，其中包括靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是靜止轉(zhuǎn)矩和勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩的統(tǒng)稱，動態(tài)轉(zhuǎn)矩是隨負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化的轉(zhuǎn)矩。該文靜態(tài)轉(zhuǎn)矩只考慮發(fā)電機起始建壓轉(zhuǎn)矩，為0.136 N·m，著重研究動態(tài)轉(zhuǎn)矩。諸多因素影響著永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩特性，文中就離網(wǎng)型風(fēng)電所用永磁發(fā)電機而言，僅考慮軸輸入功率、輸出功率、轉(zhuǎn)速、負(fù)載及輸出電流與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。其中轉(zhuǎn)矩與效率、輸出電流和輸出功率的關(guān)系曲線如圖10所示，轉(zhuǎn)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(fù)載一定且為32Ω時轉(zhuǎn)矩、效率與電流曲線

轉(zhuǎn)速、負(fù)載與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖11所示。由圖可見，當(dāng)負(fù)載一定時，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而增加；同一轉(zhuǎn)速下，負(fù)載越大，轉(zhuǎn)矩越大。轉(zhuǎn)矩與輸入功率和轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖12所示。每一軸輸入功率對應(yīng)特定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速也越大，說明出力也大。

圖11 負(fù)載、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩曲線

圖12 轉(zhuǎn)矩、功率與轉(zhuǎn)速曲線

4 發(fā)電機的性能評析及最佳特性

4.1 試驗發(fā)電機的性能評析

該風(fēng)力發(fā)電機采用稀土永磁材料勵磁，省去了電刷和集電環(huán)，減少了維護(hù)，提高了可靠性；發(fā)電機的效率相對較高，起動阻力轉(zhuǎn)矩較小，僅為0.136N·m，且在較低轉(zhuǎn)速時便于起動；轉(zhuǎn)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(biāo)超過20Hz的標(biāo)準(zhǔn)；過載能力較強，在最大轉(zhuǎn)速下，能夠輸出628W（大于400W的1.5倍）功率，且持續(xù)時長10 min停機后，發(fā)電機完好無恙。綜上，該發(fā)電機性能優(yōu)異，應(yīng)運于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中時，由風(fēng)輪直接耦合驅(qū)動，使整機結(jié)構(gòu)得以簡化，裝置重量減輕，造價降低，并且能夠改善風(fēng)力發(fā)電機的低速發(fā)電性能和超載能力，從而提高了風(fēng)能利用程度。

4.2 適合于離網(wǎng)型風(fēng)電的發(fā)電機最佳特性

上述400W風(fēng)力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機經(jīng)過大量的實驗和理論論證，各項性能指標(biāo)基本符合國家標(biāo)準(zhǔn)，也能夠較好地應(yīng)運在風(fēng)電系統(tǒng)中。但由于離網(wǎng)型風(fēng)電的特殊性和運行環(huán)境的復(fù)雜性，發(fā)電機要表現(xiàn)出最佳特性應(yīng)再加以下3點要求：

（1）當(dāng)輸出達(dá)到額定功率時，隨著轉(zhuǎn)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(fēng)速段，微風(fēng)就能發(fā)電，發(fā)電機的起始建壓轉(zhuǎn)速越小越好；

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

5 結(jié)束語

該文依據(jù)國家風(fēng)力機械標(biāo)準(zhǔn)，主要對小型風(fēng)力發(fā)電機所用永磁同步發(fā)電機的性能測試技術(shù)進(jìn)行了探討，并搭建了發(fā)電機特性綜合測試平臺，系統(tǒng)地闡述了電動機直接驅(qū)動式測試技術(shù)的方法、步驟和內(nèi)容。依據(jù)測試結(jié)果，擬合了發(fā)電機運行特性曲線。通過各曲線的分析研究，對該400W風(fēng)力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機的性能作了合理評析，并結(jié)合離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電實際運行情況，對發(fā)電機表現(xiàn)出最佳運行特性附加了幾點要求，為進(jìn)一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。

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