改變線圈連接模式的寬功率帶風力發電機

    鄧隱北，楚金甫，隋霄

    (河南森源電氣股份有限公司，河南鄭州450016)

    摘要：微型風電系統中，發電機的功率來自天然多變的風能，要求發電機具有廣闊的功率輸出特性。但是，常規發電機輸出功率跨越從低到高的轉速范圍受到限制，難于滿足這一發電特性的要求。為開發具有寬功率帶的發電機，以適應于微型風力發電，文章闡述了項有關發電機線圈連接的切換技術。以16個線圈的發電機為例，線圈可接成四種模式：16線圈串聯、8串2并聯、4串4并聯和2串8并聯。然后，從理論和實驗研究驗證了該技術的可行性和有效性。

    關鍵詞：線圈連接模式；模式變換；發電機；寬功率帶；風力發電；風輪

  0引言

    基于地球環保要求，減少全球升溫氣體的排放已成為社會關注的重要課題之。解決該問題的方針是充分利用可再生能源，在電力系統內增加利用可再生能源的發電機。迄今已相繼開發了太陽光伏發電、風力發電、地熱發電等。其中，有關風電的利削，設置上比較容易，進入系統的數量也多。因此，必須考慮有效的措施，為提高發電效率而從事多方面的研究。風力發電的發電機，因為是利用瞬變風能的發電方式，故要求具有廣闊功率帶的發電特性。通常，對大型風力發電機，采用了感應式(異步)發電機與同步發電機_二種型式。實施的運轉方式有：固定式運轉、可變速運轉、二發電機方式、極數切換方式等。對小型與微型風力發電機，通常采用的是永磁同步發電機，并要求這種風力發電機具有寬范圍的功率帶。而原來的發電機，其空載電壓只與轉速成正比，從發電機功率特性上，由低速到高速廣范圍的轉速區間內難于達到高效率的輸出。特別是小型或微型風輪，風輪的尺寸反比于發電機的轉速，使發電機往往趨向于高速工況。

    因此，對微型風電適用的寬功率帶發電機進行了開發，本文介紹了發電機線圈連接組態的切換方法，采用了16極軸向式小型發電機，對所提方案的有效性從理論和實驗進行了研討和論證。

  1定子線圈連接模式的切換。

  1 1改變線圈的連接實現寬功率帶運行

    水磁式交流發電機，就是由多個磁鐵和線圈，分別設置于轉子側和定子側。這些多個線圈電氣上仍為一般連接方式。本節所述是，改變原來固定的線圈串并聯模式，導致發電機輸出特性的改變。為說明這種發電機的效果，采用一16線圈的發電機作為例子進行討論，這些線圈考慮了16線圈串聯、8串2并聯、4串4并聯和2串8并聯四種連接模式(如圖1所示)，借助于連接模式的切換，以實現發電機的寬功率帶運行。

  1 2數值分析

為了比較線圈連接改變后的發電機輸出特性，采用了以下的計算和分析。對發電機的選型，

設定為無鐵心的軸向式發電機。因為不存在鐵心，電氣損耗只有銅損gmf設定發電機的線圈數為16，線圈連接的變換模式如圖1所示。設定的系數結構是：發電機通過蓄電池連接至負載，此時發電機轉速、空載電壓以及輸出 電流的關系如下式：

V_op=V_c×N

I=( V_op – V_batt)/R

式中：V_op——空載電壓；V_c——電動勢；V_batt——蓄電池電壓；N——轉速；I——輸出電流；R——線圈的導線電阻。

發電機功率與電氣損耗表示如下：

P= V_batt×I

P_loss=R×I²

式中，P——發電機功率；V_batt——電氣損耗（銅耗）。

考慮上述四種變換模式，將上面的式子改寫如下：

令V_c為每一線圈的電動勢 ，16線圈串聯場合即為16V_c，8串2并聯為8V_c，4串4并聯4V_c，2串8并聯為2V_c 。

16線圈串聯時，空載電壓

V_op=16V_c×N                 (5)

輸出電流

I=(16V_c×N-V_batt)/16R

電氣損耗

P_loss =16R×I²

8串2并聯時，空載電壓

V_op=8V_c×N

輸出電流

I=(8V_c×N-V_batt)/4R

電氣損耗

P_loss=4R×I²

4串4并聯時，空載電壓

VOP<