一種基于本體弱磁設(shè)計(jì)的定槳距pmsg穩(wěn)壓方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種基于本體弱磁設(shè)計(jì)的定槳距永磁同步風(fēng) 力發(fā)電機(jī)（PMSG)穩(wěn)壓方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在獨(dú)立運(yùn)行的中小型定槳距永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)定槳距PMSG)中，由 永磁體提供勵(lì)磁，由于無(wú)法調(diào)節(jié)和控制勵(lì)磁，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓隨風(fēng)速呈同趨勢(shì)變化，即 發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能只在一定的電壓幅值范圍內(nèi)才可被利用，這就限制了發(fā)電機(jī)有效發(fā)電 的可利用風(fēng)速區(qū)間。尤其在高風(fēng)速段，常規(guī)的定槳距PMSG不能像大風(fēng)電機(jī)組一樣，通過(guò)變 漿距來(lái)實(shí)現(xiàn)更寬風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)能利用。
[0003] 常規(guī)中小型PMSG的氣隙磁密設(shè)計(jì)工作點(diǎn)較高，處于飽和段，主要是為了減小電樞 反應(yīng)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響以及提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定性。在高風(fēng)速時(shí)，變槳距發(fā)電機(jī)組可 以通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角來(lái)限制輸出電能；對(duì)于定槳距發(fā)電機(jī)組，因無(wú)法改變槳距角，使得高風(fēng)速 時(shí)其輸出電壓同趨勢(shì)升高，而發(fā)電機(jī)后端所帶含整流器或逆變器的控制系統(tǒng)對(duì)電壓非常敏 感，過(guò)電壓將對(duì)后端設(shè)備影響很大（或關(guān)斷，或損傷），從而造成發(fā)電機(jī)對(duì)高風(fēng)速的利用效 果不佳。
[0004] 為了解決定槳距PMSG高風(fēng)速區(qū)間過(guò)電壓和不能充分利用風(fēng)能的問(wèn)題，已有通過(guò) 控制發(fā)電機(jī)弱磁運(yùn)行來(lái)提升額定轉(zhuǎn)速的研宄，但主要集中于對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)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(diào)節(jié)器的控制等，很少對(duì)電機(jī)本體進(jìn) 行弱磁設(shè)計(jì)。雖然這些控制策略都可以提升發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，但是它們需要有一套較為 復(fù)雜的控制系統(tǒng)，面對(duì)中小型發(fā)電系統(tǒng)的低成本、易操作、高可靠、易維護(hù)等要求，這些控制 策略的廣泛應(yīng)用，受到限制。
[0005] 對(duì)應(yīng)用于加工等工業(yè)領(lǐng)域，需要寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行的永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁升速問(wèn) 題研宄中，就有從永磁同步電機(jī)本體結(jié)構(gòu)著手，通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或者增加相 應(yīng)的調(diào)節(jié)裝置，改變勵(lì)磁回路的磁阻，或者混合勵(lì)磁調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通，或者為直軸去磁磁通提 供通路等方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)弱磁的目的。例如從增大直軸電感角度，就有學(xué)者提出了將內(nèi)置式永 磁電機(jī)轉(zhuǎn)子分段的結(jié)構(gòu)。
[0006] 在低風(fēng)速區(qū)段，過(guò)低電壓無(wú)法使PMSG后端的設(shè)備正常工作，而現(xiàn)有的穩(wěn)壓方法 中，有采用并聯(lián)電容器勵(lì)磁的穩(wěn)壓方法。但并聯(lián)電容只能對(duì)低風(fēng)速區(qū)間的電壓穩(wěn)定起作用， 對(duì)高風(fēng)速區(qū)間的過(guò)電壓和電壓波動(dòng)無(wú)能為力。
[0007] 小型常規(guī)定漿距永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，由于定槳距風(fēng)力機(jī)無(wú) 法改變槳距角，在高風(fēng)速區(qū)間，發(fā)電機(jī)輸出電壓很高，其后端的電力電子設(shè)備又對(duì)電壓很敏 感，低電壓和過(guò)電壓設(shè)備都無(wú)法正常工作，尤其是過(guò)電壓情況可能會(huì)危及設(shè)備安全及使用 壽命，使得系統(tǒng)只能在一定的電壓范圍內(nèi)工作，可利用的風(fēng)速區(qū)間被限制得較窄。
[0008] 在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中，定槳距的風(fēng)力機(jī)無(wú)法像變漿距風(fēng)力機(jī)那樣相對(duì)影響電壓，后 端電力電子設(shè)備（如整流逆變系統(tǒng)）又需要一定范圍的穩(wěn)定電壓，因此，可以對(duì)這兩者之間 的PMSG采取本體弱磁設(shè)計(jì)的技術(shù)措施，來(lái)限制高風(fēng)速時(shí)的電壓和提升低風(fēng)速時(shí)的電壓，使 得在更寬的風(fēng)速區(qū)間里，發(fā)電機(jī)輸出電壓可以穩(wěn)定于后端設(shè)備所允許的電壓范圍中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有定槳距PMSG在高風(fēng)速時(shí)電壓過(guò)高、在低風(fēng)速 時(shí)電壓過(guò)低和有效發(fā)電風(fēng)速區(qū)間較窄的問(wèn)題。
[0010] 為此目的，本發(fā)明提出一種基于本體弱磁設(shè)計(jì)的定槳距PMSG穩(wěn)壓方法，所述方法 包括：
[0011] 對(duì)定槳距PMSG的本體進(jìn)行弱磁設(shè)計(jì)，以降低高風(fēng)速時(shí)定槳距PMSG的電壓；所述高 風(fēng)速為預(yù)設(shè)高風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)速；
[0012] 在定槳距PMSG的輸出端并聯(lián)電容器，以提升低風(fēng)速時(shí)定槳距PMSG的電壓；所述低 風(fēng)速為預(yù)設(shè)低風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)速。
[0013] 可選的，所述對(duì)定槳距PMSG的本體進(jìn)行弱磁設(shè)計(jì)，包括：
[0014] 降低定槳距PMSG的本體氣隙磁密工作點(diǎn)。
[0015] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明基于弱磁本體設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓方法可以降低定槳距PMSG在 高風(fēng)速時(shí)過(guò)電壓的風(fēng)險(xiǎn)，且提高了發(fā)電機(jī)的最高可利用風(fēng)速，降低了發(fā)電機(jī)的最低可利用 風(fēng)速，拓寬了發(fā)電機(jī)的有效風(fēng)速利用區(qū)間，從而使發(fā)電機(jī)的發(fā)電效益增大。
[0016] 采用發(fā)電機(jī)本體弱磁設(shè)計(jì)，省去了現(xiàn)有對(duì)PMSG在弱磁控制策略中所采用的復(fù)雜 控制系統(tǒng)，直接從降低PMSG磁負(fù)荷入手，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，且減少了永磁材料用量，在同樣的運(yùn) 行環(huán)境下，還能降低發(fā)電機(jī)的鐵損耗。
[0017] 雖然本發(fā)明降低PMSG磁負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)在定風(fēng)速下的功率值減小，但以因拓 寬有效發(fā)電風(fēng)速區(qū)間，總體上增加了發(fā)電量，提升了發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用效果。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為【背景技術(shù)】中小型定漿距永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中提供的一種基于本體弱磁設(shè)計(jì)的定槳距PMSG穩(wěn)壓方法流 程圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中提供的發(fā)電機(jī)的磁化特性曲線(xiàn)圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中提供的一種基于本體弱磁設(shè)計(jì)的定槳距PMSG穩(wěn)壓系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中提供的一種投切開(kāi)關(guān)和電容器并聯(lián)的示意圖；
[0023] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中提供的可利用風(fēng)速區(qū)間對(duì)比圖；
[0024] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中提供的可利用風(fēng)速范圍柱狀不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明 一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有 做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0026] 如圖2所示，本實(shí)施例公開(kāi)一種基于本體弱磁設(shè)計(jì)的定槳距PMSG穩(wěn)壓方法，所述 方法包括：
[0027] S1、對(duì)定槳距PMSG的本體進(jìn)行弱磁設(shè)計(jì)，以降低高風(fēng)速時(shí)定槳距PMSG的電壓；所 述高風(fēng)速為預(yù)設(shè)高風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)速；
[0028] S2、在定槳距PMSG的輸出端并聯(lián)電容器，以提升低風(fēng)速時(shí)定槳距PMSG的電壓；所 述低風(fēng)速為預(yù)設(shè)低風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)速。
[0029] 可選的，所述對(duì)定槳距PMSG的本體進(jìn)行弱磁設(shè)計(jì)，包括：
[0030] 降低定槳距PMSG的本體磁密工作點(diǎn)。
[0031] 本實(shí)施例中，設(shè)常規(guī)PMSG(以下簡(jiǎn)稱(chēng)G1)與本發(fā)明的本體經(jīng)弱磁設(shè)計(jì)的PMSG(以 下簡(jiǎn)稱(chēng)G2)的切入與切出風(fēng)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(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系式（1):
[0033] E=BLv(I)
[0034] 其中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為導(dǎo)體長(zhǎng)度，V為速度，可知，G2相比，由于BPB2，因 此在二者機(jī)端輸出電壓均不超上限的前提下，所對(duì)應(yīng)的切出風(fēng)速，應(yīng)有Vwt2Mtjut^
[0035] 發(fā)電機(jī)的磁化特性通常用空載特性來(lái)表示，也稱(chēng)為飽和曲線(xiàn)。如圖3所示，磁化曲 線(xiàn)偏離氣隙線(xiàn)的程度可以表示電機(jī)的飽和程度。
[0036] 為了減小電樞反應(yīng)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響以及提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定性，G1的磁密 工作點(diǎn)較高，處于飽和段，對(duì)應(yīng)圖3中M點(diǎn)，而G2降低了磁密工作點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖3中N點(diǎn)。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(dǎo)率將變大，磁阻減小，勵(lì)磁效 率會(huì)增強(qiáng)。
[0037] 磁路飽和程度發(fā)生變化時(shí)，電樞反應(yīng)磁勢(shì)的交軸分量對(duì)直軸磁場(chǎng)的增磁部分和去 磁部分將會(huì)有變化。在圖3中，當(dāng)磁密由原先M點(diǎn)降到N點(diǎn)，磁路飽和程度降低，勵(lì)磁效率 會(huì)增強(qiáng)。故弱磁設(shè)計(jì)后，磁通量減小使得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小，但不會(huì)隨磁通呈正比例減小。因 此根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系式（1)，若E不變，B減小，給V的增大，提供了幅度區(qū)間。
[0038] 電感、磁鏈和磁阻之間關(guān)系如式（2):
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于本體弱磁設(shè)計(jì)的定槳距PMSG穩(wěn)壓方法，其特征在于，所述方法包括： 對(duì)定槳距永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)PMSG的本體進(jìn)行弱磁設(shè)計(jì)，以降低高風(fēng)速時(shí)定槳距永 磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)PMSG的電壓；所述高風(fēng)速為預(yù)設(shè)高風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)速； 在定槳距永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)PMSG的輸出端并聯(lián)電容器，以提升低風(fēng)速時(shí)定槳距永 磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)PMSG的電壓；所述低風(fēng)速為預(yù)設(shè)低風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)速。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)定槳距永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)PMSG 的本體進(jìn)行弱磁設(shè)計(jì)，包括： 降低定槳距永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)PMSG本體氣隙磁密工作點(diǎn)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于本體弱磁設(shè)計(jì)的定槳距永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(PMSG)穩(wěn)壓方法，所述方法包括：對(duì)定槳距PMSG的本體進(jìn)行弱磁設(shè)計(jì)，以降低高風(fēng)速時(shí)定槳距PMSG的電壓；所述高風(fēng)速為預(yù)設(shè)高風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)速；在定槳距PMSG的輸出端并聯(lián)電容器，以提升低風(fēng)速時(shí)定槳距PMSG的電壓；所述低風(fēng)速為預(yù)設(shè)低風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)速。本發(fā)明的方法，解決了現(xiàn)有定槳距PMSG在高風(fēng)速時(shí)電壓過(guò)高和有效發(fā)電風(fēng)速區(qū)間較窄的問(wèn)題。
【IPC分類(lèi)】H02K21-00, H02P101-15, H02P103-20, H02P9-14
【公開(kāi)號(hào)】CN104852651
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510146599
【發(fā)明人】翟慶志, 羅李, 吳洋
【申請(qǐng)人】中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月31日