一種基于本體弱磁設計的定槳距pmsg穩壓方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及風力發電領域，具體涉及一種基于本體弱磁設計的定槳距永磁同步風 力發電機（PMSG)穩壓方法。
【背景技術】
[0002] 在獨立運行的中小型定槳距永磁同步風力發電機（以下簡稱定槳距PMSG)中，由 永磁體提供勵磁，由于無法調節和控制勵磁，導致發電機輸出電壓隨風速呈同趨勢變化，即 發電機所發出的電能只在一定的電壓幅值范圍內才可被利用，這就限制了發電機有效發電 的可利用風速區間。尤其在高風速段，常規的定槳距PMSG不能像大風電機組一樣，通過變 漿距來實現更寬風速區間的風能利用。
[0003] 常規中小型PMSG的氣隙磁密設計工作點較高，處于飽和段，主要是為了減小電樞 反應對磁感應強度的影響以及提高感應電動勢的穩定性。在高風速時，變槳距發電機組可 以通過調節槳距角來限制輸出電能；對于定槳距發電機組，因無法改變槳距角，使得高風速 時其輸出電壓同趨勢升高，而發電機后端所帶含整流器或逆變器的控制系統對電壓非常敏 感，過電壓將對后端設備影響很大（或關斷，或損傷），從而造成發電機對高風速的利用效 果不佳。
[0004] 為了解決定槳距PMSG高風速區間過電壓和不能充分利用風能的問題，已有通過 控制發電機弱磁運行來提升額定轉速的研宄，但主要集中于對發電機機端外部的弱磁控制 策略方面，如：方波控制，矢量控制，基于電壓（電流）調節器的控制等，很少對電機本體進 行弱磁設計。雖然這些控制策略都可以提升發電機的額定轉速，但是它們需要有一套較為 復雜的控制系統，面對中小型發電系統的低成本、易操作、高可靠、易維護等要求，這些控制 策略的廣泛應用，受到限制。
[0005] 對應用于加工等工業領域，需要寬轉速范圍運行的永磁同步電動機的弱磁升速問 題研宄中，就有從永磁同步電機本體結構著手，通過設計特殊的電機轉子結構或者增加相 應的調節裝置，改變勵磁回路的磁阻，或者混合勵磁調節勵磁磁通，或者為直軸去磁磁通提 供通路等方式，來實現弱磁的目的。例如從增大直軸電感角度，就有學者提出了將內置式永 磁電機轉子分段的結構。
[0006] 在低風速區段，過低電壓無法使PMSG后端的設備正常工作，而現有的穩壓方法 中，有采用并聯電容器勵磁的穩壓方法。但并聯電容只能對低風速區間的電壓穩定起作用， 對高風速區間的過電壓和電壓波動無能為力。
[0007] 小型常規定漿距永磁風力發電系統的結構圖，如圖1所示，由于定槳距風力機無 法改變槳距角，在高風速區間，發電機輸出電壓很高，其后端的電力電子設備又對電壓很敏 感，低電壓和過電壓設備都無法正常工作，尤其是過電壓情況可能會危及設備安全及使用 壽命，使得系統只能在一定的電壓范圍內工作，可利用的風速區間被限制得較窄。
[0008] 在整個發電系統中，定槳距的風力機無法像變漿距風力機那樣相對影響電壓，后 端電力電子設備（如整流逆變系統）又需要一定范圍的穩定電壓，因此，可以對這兩者之間 的PMSG采取本體弱磁設計的技術措施，來限制高風速時的電壓和提升低風速時的電壓，使 得在更寬的風速區間里，發電機輸出電壓可以穩定于后端設備所允許的電壓范圍中。

【發明內容】

[0009] 本發明所要解決的技術問題是現有定槳距PMSG在高風速時電壓過高、在低風速 時電壓過低和有效發電風速區間較窄的問題。
[0010] 為此目的，本發明提出一種基于本體弱磁設計的定槳距PMSG穩壓方法，所述方法 包括：
[0011] 對定槳距PMSG的本體進行弱磁設計，以降低高風速時定槳距PMSG的電壓；所述高 風速為預設高風速范圍內的風速；
[0012] 在定槳距PMSG的輸出端并聯電容器，以提升低風速時定槳距PMSG的電壓；所述低 風速為預設低風速范圍內的風速。
[0013] 可選的，所述對定槳距PMSG的本體進行弱磁設計，包括：
[0014] 降低定槳距PMSG的本體氣隙磁密工作點。
[0015] 相比于現有技術，本發明基于弱磁本體設計的穩壓方法可以降低定槳距PMSG在 高風速時過電壓的風險，且提高了發電機的最高可利用風速，降低了發電機的最低可利用 風速，拓寬了發電機的有效風速利用區間，從而使發電機的發電效益增大。
[0016] 采用發電機本體弱磁設計，省去了現有對PMSG在弱磁控制策略中所采用的復雜 控制系統，直接從降低PMSG磁負荷入手，結構更簡單，且減少了永磁材料用量，在同樣的運 行環境下，還能降低發電機的鐵損耗。
[0017] 雖然本發明降低PMSG磁負荷，會導致發電機在定風速下的功率值減小，但以因拓 寬有效發電風速區間，總體上增加了發電量，提升了發電機對風能的利用效果。
【附圖說明】
[0018] 圖1為【背景技術】中小型定漿距永磁風力發電系統的結構圖；
[0019] 圖2為本發明實施例中提供的一種基于本體弱磁設計的定槳距PMSG穩壓方法流 程圖；
[0020] 圖3為本發明實施例中提供的發電機的磁化特性曲線圖；
[0021] 圖4為本發明實施例中提供的一種基于本體弱磁設計的定槳距PMSG穩壓系統結 構圖；
[0022] 圖5為本發明實施例中提供的一種投切開關和電容器并聯的示意圖；
[0023] 圖6為本發明實施例中提供的可利用風速區間對比圖；
[0024] 圖7為本發明實施例中提供的可利用風速范圍柱狀不意圖。
【具體實施方式】
[0025] 為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明 一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有 做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0026] 如圖2所示，本實施例公開一種基于本體弱磁設計的定槳距PMSG穩壓方法，所述 方法包括：
[0027] S1、對定槳距PMSG的本體進行弱磁設計，以降低高風速時定槳距PMSG的電壓；所 述高風速為預設高風速范圍內的風速；
[0028] S2、在定槳距PMSG的輸出端并聯電容器，以提升低風速時定槳距PMSG的電壓；所 述低風速為預設低風速范圍內的風速。
[0029] 可選的，所述對定槳距PMSG的本體進行弱磁設計，包括：
[0030] 降低定槳距PMSG的本體磁密工作點。
[0031] 本實施例中，設常規PMSG(以下簡稱G1)與本發明的本體經弱磁設計的PMSG(以 下簡稱G2)的切入與切出風速，分別為：Vinl和Vwtl、VindPVwt2，顯然,G1中的氣隙磁密B:大 于G2的氣隙磁密B2。
[0032] 根據感應電動勢關系式（1):
[0033] E=BLv(I)
[0034] 其中，B為磁感應強度，L為導體長度，V為速度，可知，G2相比，由于BPB2，因 此在二者機端輸出電壓均不超上限的前提下，所對應的切出風速，應有Vwt2Mtjut^
[0035] 發電機的磁化特性通常用空載特性來表示，也稱為飽和曲線。如圖3所示，磁化曲 線偏離氣隙線的程度可以表示電機的飽和程度。
[0036] 為了減小電樞反應對磁感應強度的影響以及提高感應電動勢的穩定性，G1的磁密 工作點較高，處于飽和段，對應圖3中M點，而G2降低了磁密工作點，對應圖3中N點。磁 密由M到N，磁通量下降，使得磁路飽和程度降低，磁路的磁導率將變大，磁阻減小，勵磁效 率會增強。
[0037] 磁路飽和程度發生變化時，電樞反應磁勢的交軸分量對直軸磁場的增磁部分和去 磁部分將會有變化。在圖3中，當磁密由原先M點降到N點，磁路飽和程度降低，勵磁效率 會增強。故弱磁設計后，磁通量減小使得感應電動勢減小，但不會隨磁通呈正比例減小。因 此根據感應電動勢關系式（1)，若E不變，B減小，給V的增大，提供了幅度區間。
[0038] 電感、磁鏈和磁阻之間關系如式（2):
【主權項】
1. 一種基于本體弱磁設計的定槳距PMSG穩壓方法，其特征在于，所述方法包括： 對定槳距永磁同步風力發電機PMSG的本體進行弱磁設計，以降低高風速時定槳距永 磁同步風力發電機PMSG的電壓；所述高風速為預設高風速范圍內的風速； 在定槳距永磁同步風力發電機PMSG的輸出端并聯電容器，以提升低風速時定槳距永 磁同步風力發電機PMSG的電壓；所述低風速為預設低風速范圍內的風速。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述對定槳距永磁同步風力發電機PMSG 的本體進行弱磁設計，包括： 降低定槳距永磁同步風力發電機PMSG本體氣隙磁密工作點。
【專利摘要】本發明公開一種基于本體弱磁設計的定槳距永磁同步風力發電機(PMSG)穩壓方法，所述方法包括：對定槳距PMSG的本體進行弱磁設計，以降低高風速時定槳距PMSG的電壓；所述高風速為預設高風速范圍內的風速；在定槳距PMSG的輸出端并聯電容器，以提升低風速時定槳距PMSG的電壓；所述低風速為預設低風速范圍內的風速。本發明的方法，解決了現有定槳距PMSG在高風速時電壓過高和有效發電風速區間較窄的問題。
【IPC分類】H02K21-00, H02P101-15, H02P103-20, H02P9-14
【公開號】CN104852651
【申請號】CN201510146599
【發明人】翟慶志, 羅李, 吳洋
【申請人】中國農業大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年3月31日