一种基于本体弱磁设计的定桨距pmsg稳压方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种基于本体弱磁设计的定桨距永磁同步风 力发电机（PMSG)稳压方法。
【背景技术】
[0002] 在独立运行的中小型定桨距永磁同步风力发电机（以下简称定桨距PMSG)中，由 永磁体提供励磁，由于无法调节和控制励磁，导致发电机输出电压随风速呈同趋势变化，即 发电机所发出的电能只在一定的电压幅值范围内才可被利用，这就限制了发电机有效发电 的可利用风速区间。尤其在高风速段，常规的定桨距PMSG不能像大风电机组一样，通过变 浆距来实现更宽风速区间的风能利用。
[0003] 常规中小型PMSG的气隙磁密设计工作点较高，处于饱和段，主要是为了减小电枢 反应对磁感应强度的影响以及提高感应电动势的稳定性。在高风速时，变桨距发电机组可 以通过调节桨距角来限制输出电能；对于定桨距发电机组，因无法改变桨距角，使得高风速 时其输出电压同趋势升高，而发电机后端所带含整流器或逆变器的控制系统对电压非常敏 感，过电压将对后端设备影响很大（或关断，或损伤），从而造成发电机对高风速的利用效 果不佳。
[0004] 为了解决定桨距PMSG高风速区间过电压和不能充分利用风能的问题，已有通过 控制发电机弱磁运行来提升额定转速的研宄，但主要集中于对发电机机端外部的弱磁控制 策略方面，如：方波控制，矢量控制，基于电压（电流）调节器的控制等，很少对电机本体进 行弱磁设计。虽然这些控制策略都可以提升发电机的额定转速，但是它们需要有一套较为 复杂的控制系统，面对中小型发电系统的低成本、易操作、高可靠、易维护等要求，这些控制 策略的广泛应用，受到限制。
[0005] 对应用于加工等工业领域，需要宽转速范围运行的永磁同步电动机的弱磁升速问 题研宄中，就有从永磁同步电机本体结构着手，通过设计特殊的电机转子结构或者增加相 应的调节装置，改变励磁回路的磁阻，或者混合励磁调节励磁磁通，或者为直轴去磁磁通提 供通路等方式，来实现弱磁的目的。例如从增大直轴电感角度，就有学者提出了将内置式永 磁电机转子分段的结构。
[0006] 在低风速区段，过低电压无法使PMSG后端的设备正常工作，而现有的稳压方法 中，有采用并联电容器励磁的稳压方法。但并联电容只能对低风速区间的电压稳定起作用， 对高风速区间的过电压和电压波动无能为力。
[0007] 小型常规定浆距永磁风力发电系统的结构图，如图1所示，由于定桨距风力机无 法改变桨距角，在高风速区间，发电机输出电压很高，其后端的电力电子设备又对电压很敏 感，低电压和过电压设备都无法正常工作，尤其是过电压情况可能会危及设备安全及使用 寿命，使得系统只能在一定的电压范围内工作，可利用的风速区间被限制得较窄。
[0008] 在整个发电系统中，定桨距的风力机无法像变浆距风力机那样相对影响电压，后 端电力电子设备（如整流逆变系统）又需要一定范围的稳定电压，因此，可以对这两者之间 的PMSG采取本体弱磁设计的技术措施，来限制高风速时的电压和提升低风速时的电压，使 得在更宽的风速区间里，发电机输出电压可以稳定于后端设备所允许的电压范围中。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是现有定桨距PMSG在高风速时电压过高、在低风速 时电压过低和有效发电风速区间较窄的问题。
[0010] 为此目的，本发明提出一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压方法，所述方法 包括：
[0011] 对定桨距PMSG的本体进行弱磁设计，以降低高风速时定桨距PMSG的电压；所述高 风速为预设高风速范围内的风速；
[0012] 在定桨距PMSG的输出端并联电容器，以提升低风速时定桨距PMSG的电压；所述低 风速为预设低风速范围内的风速。
[0013] 可选的，所述对定桨距PMSG的本体进行弱磁设计，包括：
[0014] 降低定桨距PMSG的本体气隙磁密工作点。
[0015] 相比于现有技术，本发明基于弱磁本体设计的稳压方法可以降低定桨距PMSG在 高风速时过电压的风险，且提高了发电机的最高可利用风速，降低了发电机的最低可利用 风速，拓宽了发电机的有效风速利用区间，从而使发电机的发电效益增大。
[0016] 采用发电机本体弱磁设计，省去了现有对PMSG在弱磁控制策略中所采用的复杂 控制系统，直接从降低PMSG磁负荷入手，结构更简单，且减少了永磁材料用量，在同样的运 行环境下，还能降低发电机的铁损耗。
[0017] 虽然本发明降低PMSG磁负荷，会导致发电机在定风速下的功率值减小，但以因拓 宽有效发电风速区间，总体上增加了发电量，提升了发电机对风能的利用效果。
【附图说明】
[0018] 图1为【背景技术】中小型定浆距永磁风力发电系统的结构图；
[0019] 图2为本发明实施例中提供的一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压方法流 程图；
[0020] 图3为本发明实施例中提供的发电机的磁化特性曲线图；
[0021] 图4为本发明实施例中提供的一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压系统结 构图；
[0022] 图5为本发明实施例中提供的一种投切开关和电容器并联的示意图；
[0023] 图6为本发明实施例中提供的可利用风速区间对比图；
[0024] 图7为本发明实施例中提供的可利用风速范围柱状不意图。
【具体实施方式】
[0025] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026] 如图2所示，本实施例公开一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压方法，所述 方法包括：
[0027] S1、对定桨距PMSG的本体进行弱磁设计，以降低高风速时定桨距PMSG的电压；所 述高风速为预设高风速范围内的风速；
[0028] S2、在定桨距PMSG的输出端并联电容器，以提升低风速时定桨距PMSG的电压；所 述低风速为预设低风速范围内的风速。
[0029] 可选的，所述对定桨距PMSG的本体进行弱磁设计，包括：
[0030] 降低定桨距PMSG的本体磁密工作点。
[0031] 本实施例中，设常规PMSG(以下简称G1)与本发明的本体经弱磁设计的PMSG(以 下简称G2)的切入与切出风速，分别为：Vinl和Vwtl、VindPVwt2，显然,G1中的气隙磁密B:大 于G2的气隙磁密B2。
[0032] 根据感应电动势关系式（1):
[0033] E=BLv(I)
[0034] 其中，B为磁感应强度，L为导体长度，V为速度，可知，G2相比，由于BPB2，因 此在二者机端输出电压均不超上限的前提下，所对应的切出风速，应有Vwt2Mtjut^
[0035] 发电机的磁化特性通常用空载特性来表示，也称为饱和曲线。如图3所示，磁化曲 线偏离气隙线的程度可以表示电机的饱和程度。
[0036] 为了减小电枢反应对磁感应强度的影响以及提高感应电动势的稳定性，G1的磁密 工作点较高，处于饱和段，对应图3中M点，而G2降低了磁密工作点，对应图3中N点。磁 密由M到N，磁通量下降，使得磁路饱和程度降低，磁路的磁导率将变大，磁阻减小，励磁效 率会增强。
[0037] 磁路饱和程度发生变化时，电枢反应磁势的交轴分量对直轴磁场的增磁部分和去 磁部分将会有变化。在图3中，当磁密由原先M点降到N点，磁路饱和程度降低，励磁效率 会增强。故弱磁设计后，磁通量减小使得感应电动势减小，但不会随磁通呈正比例减小。因 此根据感应电动势关系式（1)，若E不变，B减小，给V的增大，提供了幅度区间。
[0038] 电感、磁链和磁阻之间关系如式（2):
【主权项】
1. 一种基于本体弱磁设计的定桨距PMSG稳压方法，其特征在于，所述方法包括： 对定桨距永磁同步风力发电机PMSG的本体进行弱磁设计，以降低高风速时定桨距永 磁同步风力发电机PMSG的电压；所述高风速为预设高风速范围内的风速； 在定桨距永磁同步风力发电机PMSG的输出端并联电容器，以提升低风速时定桨距永 磁同步风力发电机PMSG的电压；所述低风速为预设低风速范围内的风速。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对定桨距永磁同步风力发电机PMSG 的本体进行弱磁设计，包括： 降低定桨距永磁同步风力发电机PMSG本体气隙磁密工作点。
【专利摘要】本发明公开一种基于本体弱磁设计的定桨距永磁同步风力发电机(PMSG)稳压方法，所述方法包括：对定桨距PMSG的本体进行弱磁设计，以降低高风速时定桨距PMSG的电压；所述高风速为预设高风速范围内的风速；在定桨距PMSG的输出端并联电容器，以提升低风速时定桨距PMSG的电压；所述低风速为预设低风速范围内的风速。本发明的方法，解决了现有定桨距PMSG在高风速时电压过高和有效发电风速区间较窄的问题。
【IPC分类】H02K21-00, H02P101-15, H02P103-20, H02P9-14
【公开号】CN104852651
【申请号】CN201510146599
【发明人】翟庆志, 罗李, 吴洋
【申请人】中国农业大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年3月31日