高電感永磁同步風力發電機的設計和分析
黃榮賡，茆美琴，喻莉
（合肥工業大學教育部光伏系統工程研究中心，合肥230009）
摘要：根據新型的基于電流源型風力發電系統的要求，采用分數槽集中繞組設計了輸出功率為10 kw的高電感永磁同步發電機，并運用有限元法分析了電機在不同負載情況下工作特性。分析結果表明，電機的齒槽轉矩較小，電機繞組的感應電動勢接近正弦，在一定的轉速范圍內，電機輸出的電流經整流器整流以后，其直流電流波
動小，滿足電流型風力發電系統控制要求。
關鍵詞：永磁同步發電機；高電感；風力；有限元
中圖分類號：tm315：tm313 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848( 2010) 07-0017-04
o引 言
傳統小型風力發電系統多采用低電感永磁同步發電機。而永磁發電機按其電感特性分類，有低電感和高電感兩類。低電感電機的額定電流遠小于短路電流，在出現故障或者需要大范圍的弱磁控制是就會出現大電流，因此這對風力發電系統電力電子變換器提出了較高的要求。相反高電感電機由于大電感的存在，它的工作電流接近短路電流，就不會出現上述問題。文獻[1]提出了基于高電感永磁同步電機的電流型風力發電系統。與傳統的電流型并網逆變器相比，它的優勢在于拓撲簡單，省去直流電感，成本低廉，適用于中小型風力發電系統。但是并沒有提及如何實現適用于風力發電系統的高電感電機。而文獻[2]通過使用分數槽集中繞組來增大電機電感，實現****弱磁控制，在大的轉速范圍內輸出能量恒定。此種電機主要應用于電動機車。本文針對風力發電系統的運行特點，采用分數槽集中繞組和改變槽型的方法設計一臺用于風力發電系統的10 kw高電感永磁同步發電機，并且運用的maxwell 2d軟件建立高電感永磁同步發電機模型，并對其進行了有限元分析，對電枕相關特性進行了評估。
1高電感永磁同步發電機特性
高電感永磁發電機的等效模型可用反電動勢電壓源和串聯電感表示，其負載用一個電阻來模擬。電壓平衡方程式為：
其中反電動勢的有效值為：
電感電壓的有效值為：
短路電流為：
式中，w為電機同步電角速度，l為電機電感，k為反電動勢系數，僅于電機參數有關。y為電機輸出電壓。
由上得知反電動勢電壓源的電壓和頻率都與電機角速度成正比，短路電流與轉速無關。
圖1表明了在風力發電系統中高、低電感永磁發電機負載特性的巨大差異。傳統的低電感永磁發電機，其輸出電流相對于短路電流很小，輸出電壓接近于開路電壓且與轉速成正比，這樣風速變化就會引起電壓較大的變化，從而使并網逆變器的設計變得復雜。而對于高電感發電機，其輸出電壓相對開路電壓較小，輸出電流接近于短路電流，即使轉速發生變化，輸出電流變化不大，因而可近似當作恒流源，這就簡化了后級電流型變流器的設計和控制。
2高電感永磁電機的電感范圍
高電感永磁同步電機要能夠在風速變化時，輸出電流近似保持不變，電機電感遠高于普通永磁同步電機，但它又受電機尺寸，電磁轉矩和損耗的限制，所以電感應在一定的范圍內進行選擇。
2.1電感下限
電機工作在額定情況，電機的轉速為額定轉速，輸出的電壓和電流與額定值相等。忽略電機電阻，它的穩態電壓平衡方程式為
電機工作在三相短路情況時，電機的轉速為額定轉速，忽略電機電阻，穩態電壓平衡方程式為
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