改变线圈连接模式的宽功率带风力发电机

    邓隐北，楚金甫，隋霄

    (河南森源电气股份有限公司，河南郑州450016)

    摘要：微型风电系统中，发电机的功率来自天然多变的风能，要求发电机具有广阔的功率输出特性。但是，常规发电机输出功率跨越从低到高的转速范围受到限制，难于满足这一发电特性的要求。为开发具有宽功率带的发电机，以适应于微型风力发电，文章阐述了项有关发电机线圈连接的切换技术。以16个线圈的发电机为例，线圈可接成四种模式：16线圈串联、8串2并联、4串4并联和2串8并联。然后，从理论和实验研究验证了该技术的可行性和有效性。

    关键词：线圈连接模式；模式变换；发电机；宽功率带；风力发电；风轮

  0引言

    基于地球环保要求，减少全球升温气体的排放已成为社会关注的重要课题之。解决该问题的方针是充分利用可再生能源，在电力系统内增加利用可再生能源的发电机。迄今已相继开发了太阳光伏发电、风力发电、地热发电等。其中，有关风电的利削，设置上比较容易，进入系统的数量也多。因此，必须考虑有效的措施，为提高发电效率而从事多方面的研究。风力发电的发电机，因为是利用瞬变风能的发电方式，故要求具有广阔功率带的发电特性。通常，对大型风力发电机，采用了感应式(异步)发电机与同步发电机_二种型式。实施的运转方式有：固定式运转、可变速运转、二发电机方式、极数切换方式等。对小型与微型风力发电机，通常采用的是永磁同步发电机，并要求这种风力发电机具有宽范围的功率带。而原来的发电机，其空载电压只与转速成正比，从发电机功率特性上，由低速到高速广范围的转速区间内难于达到高效率的输出。特别是小型或微型风轮，风轮的尺寸反比于发电机的转速，使发电机往往趋向于高速工况。

    因此，对微型风电适用的宽功率带发电机进行了开发，本文介绍了发电机线圈连接组态的切换方法，采用了16极轴向式小型发电机，对所提方案的有效性从理论和实验进行了研讨和论证。

  1定子线圈连接模式的切换。

  1 1改变线圈的连接实现宽功率带运行

    水磁式交流发电机，就是由多个磁铁和线圈，分别设置于转子侧和定子侧。这些多个线圈电气上仍为一般连接方式。本节所述是，改变原来固定的线圈串并联模式，导致发电机输出特性的改变。为说明这种发电机的效果，采用一16线圈的发电机作为例子进行讨论，这些线圈考虑了16线圈串联、8串2并联、4串4并联和2串8并联四种连接模式(如图1所示)，借助于连接模式的切换，以实现发电机的宽功率带运行。

  1 2数值分析

为了比较线圈连接改变后的发电机输出特性，采用了以下的计算和分析。对发电机的选型，

设定为无铁心的轴向式发电机。因为不存在铁心，电气损耗只有铜损gmf设定发电机的线圈数为16，线圈连接的变换模式如图1所示。设定的系数结构是：发电机通过蓄电池连接至负载，此时发电机转速、空载电压以及输出 电流的关系如下式：

V_op=V_c×N

I=( V_op – V_batt)/R

式中：V_op——空载电压；V_c——电动势；V_batt——蓄电池电压；N——转速；I——输出电流；R——线圈的导线电阻。

发电机功率与电气损耗表示如下：

P= V_batt×I

P_loss=R×I²

式中，P——发电机功率；V_batt——电气损耗（铜耗）。

考虑上述四种变换模式，将上面的式子改写如下：

令V_c为每一线圈的电动势 ，16线圈串联场合即为16V_c，8串2并联为8V_c，4串4并联4V_c，2串8并联为2V_c 。

16线圈串联时，空载电压

V_op=16V_c×N                 (5)

输出电流

I=(16V_c×N-V_batt)/16R

电气损耗

P_loss =16R×I²

8串2并联时，空载电压

V_op=8V_c×N

输出电流

I=(8V_c×N-V_batt)/4R

电气损耗

P_loss=4R×I²

4串4并联时，空载电压

VOP<