CN104852651B - 一种基于本体弱磁设计的定桨距pmsg稳压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于本体弱磁设计的定桨距永磁同步风力发电机(PMSG)稳压方法，所述方法包括：对定桨距PMSG的本体进行弱磁设计，以降低高风速时定桨距PMSG的电压；所述高风速为预设高风速范围内的风速；在定桨距PMSG的输出端并联电容器，以提升低风速时定桨距PMSG的电压；所述低风速为预设低风速范围内的风速。本发明的方法，解决了现有定桨距PMSG在高风速时电压过高和有效发电风速区间较窄的问题。

Description

一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种基于本体弱磁设计的定桨距永磁同步风力发电机(PMSG)稳压方法。

背景技术

在独立运行的中小型定桨距永磁同步风力发电机(以下简称定桨距PMSG)中，由永磁体提供励磁，由于无法调节和控制励磁，导致发电机输出电压随风速呈同趋势变化，即发电机所发出的电能只在一定的电压幅值范围内才可被利用，这就限制了发电机有效发电的可利用风速区间。尤其在高风速段，常规的定桨距PMSG不能像大风电机组一样，通过变浆距来实现更宽风速区间的风能利用。

常规中小型PMSG的气隙磁密设计工作点较高，处于饱和段，主要是为了减小电枢反应对磁感应强度的影响以及提高感应电动势的稳定性。在高风速时，变桨距发电机组可以通过调节桨距角来限制输出电能；对于定桨距发电机组，因无法改变桨距角，使得高风速时其输出电压同趋势升高，而发电机后端所带含整流器或逆变器的控制系统对电压非常敏感，过电压将对后端设备影响很大(或关断，或损伤)，从而造成发电机对高风速的利用效果不佳。

为了解决定桨距PMSG高风速区间过电压和不能充分利用风能的问题，已有通过控制发电机弱磁运行来提升额定转速的研究，但主要集中于对发电机机端外部的弱磁控制策略方面，如：方波控制，矢量控制，基于电压(电流)调节器的控制等，很少对电机本体进行弱磁设计。虽然这些控制策略都可以提升发电机的额定转速，但是它们需要有一套较为复杂的控制系统，面对中小型发电系统的低成本、易操作、高可靠、易维护等要求，这些控制策略的广泛应用， 受到限制。

对应用于加工等工业领域，需要宽转速范围运行的永磁同步电动机的弱磁升速问题研究中，就有从永磁同步电机本体结构着手，通过设计特殊的电机转子结构或者增加相应的调节装置，改变励磁回路的磁阻，或者混合励磁调节励磁磁通，或者为直轴去磁磁通提供通路等方式，来实现弱磁的目的。例如从增大直轴电感角度，就有学者提出了将内置式永磁电机转子分段的结构。

在低风速区段，过低电压无法使PMSG后端的设备正常工作，而现有的稳压方法中，有采用并联电容器励磁的稳压方法。但并联电容只能对低风速区间的电压稳定起作用，对高风速区间的过电压和电压波动无能为力。

小型常规定浆距永磁风力发电系统的结构图，如图1所示，由于定桨距风力机无法改变桨距角，在高风速区间，发电机输出电压很高，其后端的电力电子设备又对电压很敏感，低电压和过电压设备都无法正常工作，尤其是过电压情况可能会危及设备安全及使用寿命，使得系统只能在一定的电压范围内工作，可利用的风速区间被限制得较窄。

在整个发电系统中，定桨距的风力机无法像变浆距风力机那样相对影响电压，后端电力电子设备(如整流逆变系统)又需要一定范围的稳定电压，因此，可以对这两者之间的PMSG采取本体弱磁设计的技术措施，来限制高风速时的电压和提升低风速时的电压，使得在更宽的风速区间里，发电机输出电压可以稳定于后端设备所允许的电压范围中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有定桨距PMSG在高风速时电压过高、在低风速时电压过低和有效发电风速区间较窄的问题。

为此目的，本发明提出一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG 稳压方法，所述方法包括：

对定桨距PMSG的本体进行弱磁设计，以降低高风速时定桨距PMSG的电压；所述高风速为预设高风速范围内的风速；

在定桨距PMSG的输出端并联电容器，以提升低风速时定桨距PMSG的电压；所述低风速为预设低风速范围内的风速。

可选的，所述对定桨距PMSG的本体进行弱磁设计，包括：

降低定桨距PMSG的本体气隙磁密工作点。

相比于现有技术，本发明基于弱磁本体设计的稳压方法可以降低定桨距PMSG在高风速时过电压的风险，且提高了发电机的最高可利用风速，降低了发电机的最低可利用风速，拓宽了发电机的有效风速利用区间，从而使发电机的发电效益增大。

采用发电机本体弱磁设计，省去了现有对PMSG在弱磁控制策略中所采用的复杂控制系统，直接从降低PMSG磁负荷入手，结构更简单，且减少了永磁材料用量，在同样的运行环境下，还能降低发电机的铁损耗。

虽然本发明降低PMSG磁负荷，会导致发电机在定风速下的功率值减小，但以因拓宽有效发电风速区间，总体上增加了发电量，提升了发电机对风能的利用效果。

附图说明

图1为背景技术中小型定浆距永磁风力发电系统的结构图；

图2为本发明实施例中提供的一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压方法流程图；

图3为本发明实施例中提供的发电机的磁化特性曲线图；

图4为本发明实施例中提供的一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压系统结构图；

图5为本发明实施例中提供的一种投切开关和电容器并联的示意图；

图6为本发明实施例中提供的可利用风速区间对比图；

图7为本发明实施例中提供的可利用风速范围柱状示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本实施例公开一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压方法，所述方法包括：

S1、对定桨距PMSG的本体进行弱磁设计，以降低高风速时定桨距PMSG的电压；所述高风速为预设高风速范围内的风速；

S2、在定桨距PMSG的输出端并联电容器，以提升低风速时定桨距PMSG的电压；所述低风速为预设低风速范围内的风速。

可选的，所述对定桨距PMSG的本体进行弱磁设计，包括：

降低定桨距PMSG的本体磁密工作点。

本实施例中，设常规PMSG(以下简称G₁)与本发明的本体经弱磁设计的PMSG(以下简称G₂)的切入与切出风速，分别为：V_in1和V_out1、V_in2和V_out2，显然，G₁中的气隙磁密B₁大于G₂的气隙磁密B₂。

根据感应电动势关系式(1)：

E＝BLv(1)

其中，B为磁感应强度，L为导体长度，v为速度，可知，G₁与G₂相比，由于B₁>B₂，因此在二者机端输出电压均不超上限的前提下，所对应的切出风速，应有V_out2>V_out1。

发电机的磁化特性通常用空载特性来表示，也称为饱和曲线。如图3所示，磁化曲线偏离气隙线的程度可以表示电机的饱和程度。

为了减小电枢反应对磁感应强度的影响以及提高感应电动势的稳定性，G₁的磁密工作点较高，处于饱和段，对应图3中M点，而G₂降低了磁密工作点，对应图3中N点。磁密由M到N，磁通量下降，使得磁路饱和程度降低，磁路的磁导率将变大，磁阻减小，励磁效率会增强。

磁路饱和程度发生变化时，电枢反应磁势的交轴分量对直轴磁场的增磁部分和去磁部分将会有变化。在图3中，当磁密由原先M点降到N点，磁路饱和程度降低，励磁效率会增强。故弱磁设计后，磁通量减小使得感应电动势减小，但不会随磁通呈正比例减小。因此根据感应电动势关系式(1)，若E不变，B减小，给v的增大，提供了幅度区间。

电感、磁链和磁阻之间关系如式(2)：

其中，L为电感，Ψ为磁链，i为电流，N为线圈匝数，R_tot为磁阻。

根据式(2)，电感正比于匝数的平方，反比于磁路磁阻。

永磁体体积与磁密之间的关系如式(3)：

其中，Vol_mag为磁钢体积；Vol_air为气隙体积；B_g为气隙磁密；H_m为磁性材料的磁场强度；B_m为磁性材料的磁通密度；μ₀为真空磁导率。

由式(2)可知，发电机定子匝数不变时，G₂的磁路饱和程度降低，R_tot减小将使得电感L增大，又由PMSG电压和直轴电流的关系知，适当增大直轴电感能起到弱磁效果。由式(3)可知，G₂的B_g减小，Vol_air不变时，Vol_mag将减小，永磁材料用量也会减小。

图4所示为本发明实施例中提供的一种基于本体弱磁设计的定 桨距PMSG稳压系统结构图，PMSG本体经弱磁设计，可以在更高风速时，使机发电输出电压幅值，在后端电力电子设备正常工作允许的电压上限之内，即提高发电机可利用的风速上限；在低风速时，通过如图5示，发电机端并联Δ接电容器的辅助励磁作用，来提升电压幅值，电压幅值在后端电力电子设备正常工作允许的电压下限之上。

在图5虚线框中的投切开关功能包括检测发电机机端电压和控制电容器的投切。电容器投切控制过程为：设后端电力电子设备正常工作所需电压的上、下限值阀值分别为：U_up和U_down，通过投切开关内置的检控环节，检测发电机机端电压U_g幅值，并与预设阀值电压进行比较，决定电容器的投切。当风速较低，致使机端电压U_g＜U_down时，控制投切开关闭合，以投入电容器的辅助励磁与发电机自身永磁材料励磁一同作用，来提升发电机机端电压；当风速较高，致使机端电压U_g＞U_up时，控制投切开关断开，发电机仅由自身永磁材料励磁。

仍以G₁与G₂相比，由于G₂在低风速情况下，投入电容器辅助励磁，因此在二者机端输出电压均不低于下限的前提下，所对应的切入风速，应有V_in1>V_in2，即G₂可在更低的风速下发电。

G₁与G₂的可利用风速区间对比，如图6所示。在后端电力电子设备正常工作所需电压范围内，G₁可利用的风速区间为A，G₂加并联电容后可利用的风速区间为B，弱磁设计，提高了切出风速，即V_out2>V_out1；并联电容器，降低了切入风速，即V_in1>V_in2。可见本发明所提方法，在稳定电压的前提下，拓宽了风速区间，提升了发电机对风能的利用效果。

将发电机输出电压限定在后端设备所允许的某一电压范围内(如U＝U_n±5％，U为发电机输出电压，U_n为后端设备额定电压)，通过仿真实验，不同稳压方式对应的可利用风速范围，如表1所示：

表1四种稳压方式下的可利用风速范围(U＝U_n±5％)单位：rad/s

将表1中可利用风速范围绘制成如图7所示的柱状示意图，图7中仅为示意，不代表具体的可利用风速范围。图7可以更直观地看出本发明稳压方法的效果。

图7所表达的意义为：

发电机无稳压措施时，在后端设备所允许的电压范围内，发电机可利用的风速被限制得较窄，如图7中的常规风速区Ⅰ，而风能与风速的三次方成正比，故不利于风能的充分利用。我国小型风机额定转速定的很低，主要是希望能较长时间满足用户的用电需要，这样只能利用风速较低且很窄区间的风能，并且额定风速定得低，同等功率下PMSG的成本要高很多，处于限速状态的时间也较长。

在低风速区，当发电机输出电压低于后端设备所需的最低工作电压，设备将无法正常工作。通过并联电容器励磁来提升电压至设备所需的最低电压以上，则发电机可利用更低的风速，拓宽的风速区间如图7中的低风速区Ⅱ。

在高风速区，常规定桨距PMSG输出电压幅值过高，可能会危及后端设备安全。通过发电机本体弱磁设计，将可以限制发电机在高风速时的电压幅值，则发电机可利用更高的风速，拓宽的风速区间如图7中的低风速区Ⅲ。

若采用发电机本体弱磁设计再结合并联电容器励磁的稳压方式，将拓宽发电机可利用的风速区间，(如表1示，可利用风速区间由原来的144.2～165rad/s拓宽到131.3～173.2rad/s，拓宽约1倍)增大发电机的发电效益。

相比于常规设计的PMSG，若维持弱磁设计后的发电机额定电 压值不变，其额定电压所对应的额定风速将增大，还有利于降低发电机的制造成本。

本发明的基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压方法，适当降低PMSG磁密工作点，以相对减小感应电动势幅值，在端电压不超过后端电力电子设备耐受电压情况下，提高发电机可利用的风速上限；再结合发电机机端并联电容器，利用并联电容器的辅助励磁作用，实现在更低风速区间内，提升发电机机端电压至可利用区间。

综上，本发明依据永磁材料的磁化特性，利用对PMSG新的弱磁设计，相对减小感应电动势幅值，降低高风速时，过电压给后端设备带来的风险；弱磁设计后，发电机的切出风速将提高；再结合发电机机端并联电容器，稳定低风速时的电压，由电机电磁关系和永磁材料工作点相关知识可知，并联电容器对PMSG有励磁有辅助作用，这样可使发电机的切入风速降低。整体而言，由于采用了发电机本体的弱磁设计，可在更高风速区间，使发电机的输出电压幅值不越后端设备耐压上限；在低风速区间，通过并联电容器励磁，提升电压在后端设备截止电压以上。这就既提升了发电机与切出风速相对应的上限转速，又降低了发电机与切入风速相对应的下限转速，从而有效拓展了发电机的有效发电转速区间。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (2)

1.一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压方法，其特征在于，所述方法包括：

对定桨距永磁同步风力发电机PMSG的本体进行弱磁设计，以降低高风速时定桨距永磁同步风力发电机PMSG的电压；所述高风速为预设高风速范围内的风速；

在定桨距永磁同步风力发电机PMSG的输出端并联电容器，以提升低风速时定桨距永磁同步风力发电机PMSG的电压；所述低风速为预设低风速范围内的风速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对定桨距永磁同步风力发电机PMSG的本体进行弱磁设计，包括：

降低定桨距永磁同步风力发电机PMSG本体气隙磁密工作点。