改變線圈連接模式的寬功率帶風力發(fā)電機
鄧隱北，楚金甫，隋霄
(河南森源電氣股份有限公司，河南鄭州450016)
摘要：微型風電系統(tǒng)中，發(fā)電機的功率來自天然多變的風能，要求發(fā)電機具有廣闊的功率輸出特性。但是，常規(guī)發(fā)電機輸出功率跨越從低到高的轉速范圍受到限制，難于滿足這一發(fā)電特性的要求。為開發(fā)具有寬功率帶的發(fā)電機，以適應于微型風力發(fā)電，文章闡述了項有關發(fā)電機線圈連接的切換技術。以16個線圈的發(fā)電機為例，線圈可接成四種模式：16線圈串聯(lián)、8串2并聯(lián)、4串4并聯(lián)和2串8并聯(lián)。然后，從理論和實驗研究驗證了該技術的可行性和有效性。
關鍵詞：線圈連接模式；模式變換；發(fā)電機；寬功率帶；風力發(fā)電；風輪
0引言
基于地球環(huán)保要求，減少全球升溫氣體的排放已成為社會關注的重要課題之。解決該問題的方針是充分利用可再生能源，在電力系統(tǒng)內(nèi)增加利用可再生能源的發(fā)電機。迄今已相繼開發(fā)了太陽光伏發(fā)電、風力發(fā)電、地熱發(fā)電等。其中，有關風電的利削，設置上比較容易，進入系統(tǒng)的數(shù)量也多。因此，必須考慮有效的措施，為提高發(fā)電效率而從事多方面的研究。風力發(fā)電的發(fā)電機，因為是利用瞬變風能的發(fā)電方式，故要求具有廣闊功率帶的發(fā)電特性。通常，對大型風力發(fā)電機，采用了感應式(異步)發(fā)電機與同步發(fā)電機_二種型式。實施的運轉方式有：固定式運轉、可變速運轉、二發(fā)電機方式、極數(shù)切換方式等。對小型與微型風力發(fā)電機，通常采用的是永磁同步發(fā)電機，并要求這種風力發(fā)電機具有寬范圍的功率帶。而原來的發(fā)電機，其空載電壓只與轉速成正比，從發(fā)電機功率特性上，由低速到高速廣范圍的轉速區(qū)間內(nèi)難于達到高效率的輸出。特別是小型或微型風輪，風輪的尺寸反比于發(fā)電機的轉速，使發(fā)電機往往趨向于高速工況。
因此，對微型風電適用的寬功率帶發(fā)電機進行了開發(fā)，本文介紹了發(fā)電機線圈連接組態(tài)的切換方法，采用了16極軸向式小型發(fā)電機，對所提方案的有效性從理論和實驗進行了研討和論證。
1定子線圈連接模式的切換。
1 1改變線圈的連接實現(xiàn)寬功率帶運行
水磁式交流發(fā)電機，就是由多個磁鐵和線圈，分別設置于轉子側和定子側。這些多個線圈電氣上仍為一般連接方式。本節(jié)所述是，改變原來固定的線圈串并聯(lián)模式，導致發(fā)電機輸出特性的改變。為說明這種發(fā)電機的效果，采用一16線圈的發(fā)電機作為例子進行討論，這些線圈考慮了16線圈串聯(lián)、8串2并聯(lián)、4串4并聯(lián)和2串8并聯(lián)四種連接模式(如圖1所示)，借助于連接模式的切換，以實現(xiàn)發(fā)電機的寬功率帶運行。
1 2數(shù)值分析
為了比較線圈連接改變后的發(fā)電機輸出特性，采用了以下的計算和分析。對發(fā)電機的選型，
設定為無鐵心的軸向式發(fā)電機。因為不存在鐵心，電氣損耗只有銅損gmf設定發(fā)電機的線圈數(shù)為16，線圈連接的變換模式如圖1所示。設定的系數(shù)結構是：發(fā)電機通過蓄電池連接至負載，此時發(fā)電機轉速、空載電壓以及輸出 電流的關系如下式：
Vop=Vc×N
I=( Vop – Vbatt)/R
式中：Vop——空載電壓；Vc——電動勢；Vbatt——蓄電池電壓；N——轉速；I——輸出電流；R——線圈的導線電阻。
發(fā)電機功率與電氣損耗表示如下：
P= Vbatt×I
Ploss=R×I2
式中，P——發(fā)電機功率；Vbatt——電氣損耗（銅耗）。
考慮上述四種變換模式，將上面的式子改寫如下：
令Vc為每一線圈的電動勢 ，16線圈串聯(lián)場合即為16Vc，8串2并聯(lián)為8Vc，4串4并聯(lián)4Vc，2串8并聯(lián)為2Vc 。
16線圈串聯(lián)時，空載電壓
Vop=16Vc×N (5)
輸出電流
I=(16Vc×N-Vbatt)/16R
電氣損耗
Ploss =16R×I2
8串2并聯(lián)時，空載電壓
Vop=8Vc×N
輸出電流
I=(8Vc×N-Vbatt)/4R
電氣損耗
Ploss=4R×I2
4串4并聯(lián)時，空載電壓
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