高电感永磁同步风力发电机的设计和分析
黄荣赓，茆美琴，喻莉
（合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，合肥230009）
摘要：根据新型的基于电流源型风力发电系统的要求，采用分数槽集中绕组设计了输出功率为10 kw的高电感永磁同步发电机，并运用有限元法分析了电机在不同负载情况下工作特性。分析结果表明，电机的齿槽转矩较小，电机绕组的感应电动势接近正弦，在一定的转速范围内，电机输出的电流经整流器整流以后，其直流电流波
动小，满足电流型风力发电系统控制要求。
关键词：永磁同步发电机；高电感；风力；有限元
中图分类号：tm315：tm313 文献标志码：a 文章编号：1001-6848( 2010) 07-0017-04
o引 言
传统小型风力发电系统多采用低电感永磁同步发电机。而永磁发电机按其电感特性分类，有低电感和高电感两类。低电感电机的额定电流远小于短路电流，在出现故障或者需要大范围的弱磁控制是就会出现大电流，因此这对风力发电系统电力电子变换器提出了较高的要求。相反高电感电机由于大电感的存在，它的工作电流接近短路电流，就不会出现上述问题。文献[1]提出了基于高电感永磁同步电机的电流型风力发电系统。与传统的电流型并网逆变器相比，它的优势在于拓扑简单，省去直流电感，成本低廉，适用于中小型风力发电系统。但是并没有提及如何实现适用于风力发电系统的高电感电机。而文献[2]通过使用分数槽集中绕组来增大电机电感，实现****弱磁控制，在大的转速范围内输出能量恒定。此种电机主要应用于电动机车。本文针对风力发电系统的运行特点，采用分数槽集中绕组和改变槽型的方法设计一台用于风力发电系统的10 kw高电感永磁同步发电机，并且运用的maxwell 2d软件建立高电感永磁同步发电机模型，并对其进行了有限元分析，对电枕相关特性进行了评估。
1高电感永磁同步发电机特性
高电感永磁发电机的等效模型可用反电动势电压源和串联电感表示，其负载用一个电阻来模拟。电压平衡方程式为：
其中反电动势的有效值为：
电感电压的有效值为：
短路电流为：
式中，w为电机同步电角速度，l为电机电感，k为反电动势系数，仅于电机参数有关。y为电机输出电压。
由上得知反电动势电压源的电压和频率都与电机角速度成正比，短路电流与转速无关。
图1表明了在风力发电系统中高、低电感永磁发电机负载特性的巨大差异。传统的低电感永磁发电机，其输出电流相对于短路电流很小，输出电压接近于开路电压且与转速成正比，这样风速变化就会引起电压较大的变化，从而使并网逆变器的设计变得复杂。而对于高电感发电机，其输出电压相对开路电压较小，输出电流接近于短路电流，即使转速发生变化，输出电流变化不大，因而可近似当作恒流源，这就简化了后级电流型变流器的设计和控制。
2高电感永磁电机的电感范围
高电感永磁同步电机要能够在风速变化时，输出电流近似保持不变，电机电感远高于普通永磁同步电机，但它又受电机尺寸，电磁转矩和损耗的限制，所以电感应在一定的范围内进行选择。
2.1电感下限
电机工作在额定情况，电机的转速为额定转速，输出的电压和电流与额定值相等。忽略电机电阻，它的稳态电压平衡方程式为
电机工作在三相短路情况时，电机的转速为额定转速，忽略电机电阻，稳态电压平衡方程式为
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