| 改變線圈連接模式的寬功率帶風力發電機
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：微型風電系統中，發電機的功率來自天然多變的風能，要求發電機具有廣闊的功率輸出特性。但是，常規發電機輸出功率跨越從低到高的轉速范圍受到限制，難于滿足這一發電特性的要求。為開發具有寬功率帶的發電機，以適應于微型風力發電，文章闡述了項有關發電機線圈連接的切換技術。以16個線圈的發電機為例，線圈可接成四種模式：16線圈串聯、8串2并聯、4串4并聯和2串8并聯。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；發電機；寬功率帶；風力發電；風輪
0引言
基于地球環保要求，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，在電力系統內增加利用可再生能源的發電機。迄今已相繼開發了太陽光伏發電、風力發電、地熱發電等。其中，有關風電的利削，設置上比較容易，進入系統的數量也多。因此，必須考慮有效的措施，為提高發電效率而從事多方面的研究。風力發電的發電機，因為是利用瞬變風能的發電方式，故要求具有廣闊功率帶的發電特性。通常，對大型風力發電機，采用了感應式(異步)發電機與同步發電機_二種型式。實施的運轉方式有：固定式運轉、可變速運轉、二發電機方式、極數切換方式等。對小型與微型風力發電機，通常采用的是永磁同步發電機，并要求這種風力發電機具有寬范圍的功率帶。而原來的發電機，其空載電壓只與轉速成正比，從發電機功率特性上，由低速到高速廣范圍的轉速區間內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電機的轉速，使發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電機進行了開發，本文介紹了發電機線圈連接組態的切換方法，采用了16極軸向式小型發電機，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寬功率帶運行
水磁式交流發電機，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。本節所述是，改變原來固定的線圈串并聯模式，導致發電機輸出特性的改變。為說明這種發電機的效果，采用一16線圈的發電機作為例子進行討論，這些線圈考慮了16線圈串聯、8串2并聯、4串4并聯和2串8并聯四種連接模式(如圖1所示)，借助于連接模式的切換，以實現發電機的寬功率帶運行。
1 2數值分析
為了比較線圈連接改變后的發電機輸出特性，采用了以下的計算和分析。對發電機的選型，
設定為無鐵心的軸向式發電機。因為不存在鐵心，電氣損耗只有銅損gmf設定發電機的線圈數為16，線圈連接的變換模式如圖1所示。設定的系數結構是：發電機通過蓄電池連接至負載，此時發電機轉速、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。
發電機功率與電氣損耗表示如下：
P= Vbatt×I
Ploss=R×I2
式中，P——發電機功率；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線圈串聯場合即為16Vc，8串2并聯為8Vc，4串4并聯4Vc，2串8并聯為2Vc 。
16線圈串聯時，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并聯時，空載電壓
VOP=4 Vc×N
輸出電流
I=（4Vc×N- Vbatt）/R
電氣損耗
Ploss=R×I2
2串8并聯時，空載電壓
VOP=2 Vc×N
輸出電流
I=(2Vc×N-Vbatt)/0.25R
電氣損耗
Ploss=0.25R×I2
按上列各式可以計算各種模式下的發電機空載電壓，而發電機每一轉的電動勢Vc為：
Vc=V·B·(L×2)×t×k
式中，V——速度；B——磁通密度；L——與磁極交鏈的導體長度；t——線圈的匝數；K——線圈的串聯數。
由磁鐵的厚度與氣隙長度求出導磁系數(磁導率)，再按所用釹(Nd)磁的去磁特性曲線算出磁通密度B，利用式(1)～(17)給出實際發電機的各項具體數值。
以轉速作為參數計算出各個數值并進行比較。使用的參數有：每一線圈的電阻1．53 Ω，每一線圈的電動勢常數為O. 018 V／rpm，蓄電池電壓為12. 5 v。數值分析結果示于圖2～圖5。
圖2所示為轉速一空載電壓特性。圖3為轉速～輸出電流特性。兩圖中均分別給出了16串、8串、4串、2串的特性。由圖2中的空載電壓，無論哪個串數下均與轉速成正比，且線圈的串聯數越多，空載電壓越高。因此，線圈的串聯數多的情況下，達到蓄電池電壓(12．5 v)的轉速則低，能降低開始充電時的轉速這是有利的。
從另一方面，圖3所示的輸出電流，對串聯數多的16串和8串均在低轉速下開始輸出，但轉速高時串聯數少的輸出電流則大。由于輸出電流反比于線圈的電阻，故高轉速時線圈的合成電阻小，具有這一特點的線圈連接模式效果好。
因此，將對應于與發電機轉速的線圈連接模式進行合理的變換，比線圈連接固定時，可能存在更有利的輸出特性。而且，通過連接模式的切換，發電機的特性可向低轉速或高轉速方向變化，因而無論對轉速較低的立軸風輪，或轉速較高的水平軸螺旋槳風輪，均有可能與微型發電機理想配套。
本文采用了無鐵心的發電機，發電過程中的電氣損耗僅為銅損。發電機的損耗如圖4所示。銅損口可表示為RI2戶。假定發電量相等，發電機內阻小的，可望減小損耗。而且，高轉速時減少串聯、增加并聯支路數，發電機的內阻減少，損耗也小，且能予以控制。
圖5是圖4中的電氣損耗以發電機的效率來表示的。由于電氣損耗僅為銅損，低于沒有銅損的轉速以下，發電機效率近似為********。隨著電流的增大，與電流值平方成比例的锏損幅值更大，故發電機的效率降低。因此，串聯數多，線圈的總電阻大，發電機的效率就會降低。
1 3理論值的研究結果
按上述結果，串聯數多時在低轉速下開始發電，輸出電流小；相反，串聯數少的場合在高轉速時能獲得大的輸出電流。然后，將電流大小對應的某一轉速作為分界點，以此轉速點來界定在哪種串并數下運轉，處于有利范圍，通過發電機串并數的改變，能得到兼具兩方面有利特性的發電機是最有效的。
2改變線圈連接模式的寬功率帶發電機
2 1發電機的組成
提出的新型發電機方案，是通過線圈連接模式的切換，使一臺發電機具有多重特性，并在發電機運轉過程中能有效地利用其全部特性。為此，線圈連接點的切換必須要瞬時、簡單地完成。新型發電機是由發電機和線圈連接模式變換裝置構成的。利用該變換裝置在圖1所示四種模式下，實現線圈連接狀態的自由切換。現將試制的軸向式發電機及其變換裝置介紹如下。
2 2軸向式發電機的試制
軸向式發電機為采用永磁體與空心線圈的發電機。結構上是把線圈夾入上下永磁體之間，再在磁體后面設置背部磁軛(back yoke)，以使相鄰磁體之間形成磁同路，加強上下氣隙間的磁場，提高氣隙磁密。而且，近年來由于性能優良的永磁材料問世，在軸向式結構中即使不用鐵心也能獲得較強的磁場。其特點是具有結構簡單、因無鐵芯電氣損耗僅為銅損、不會產生因齒槽效應導致的脈動轉矩等一系列優點。
本文所述的新型發電機，設計成無鐵心式，配有16個線圈。試制的樣機為16極的軸向式發電機，如圖6所示。永磁體16極，線圈16個。每個線圈的接線端子為兩個一組，各自獨立。通過線圈連接模式變換裝置的自動切換，能改變適用的輸出功率范圍。試制軸向式發電機的結構如圖7所示。用于發電機的每一個線圈是用0 .49nlm漆包線繞80匝的精密線圈。每線圈的電阻約l 53Ω，采用了寧波科田磁業公司的38H釹鐵硼永磁。釹磁體在背部磁軛環上N極、s極均勻地交錯配置。永磁體側即為轉子側。
2 3變換裝置的試制
發電機線圈連接的切換由我們獨立設計的變換裝置執行。圖l所示四種模式的切換均能瞬時完成。該裝置中連接切換的開關部分采用了8個繼電器，通過各個繼電器的通／斷控制，以其不同組合的四種模式來進行串并聯接的切換。圖8為變換裝置的外觀圖。
3發電機的實驗研究
3 1空載電壓的測定
利用試制的發電機，測定其轉速與空載電壓的關系曲線。測定結果如圖9所示。圖9所示特性與圖2中的理論值基本相同。
3 2測定Savonius型風輪的功率特性
采用Savonius型風輪測定其輸出特性。這里所用的風輪尺寸為：直徑600mm，高900ram。將此風輪直接與新型發電機聯結，測量的實驗器具與電路結構如圖10所示。
借助接于鼓風機的變頻器及風速儀調節風速，并采用了電子負荷裝置作為負載。本文為了掌握新型發電機的基本特性，采用了作為單純電阻的電子負荷；電壓、電流的測定利用各自的電壓表和電流表。測量數據是在風速為12m／s、16m／s、20m／s三種情況下建立的。各個風速在一定的時限內，通過電子負荷改變其負載值。然后測定了輸出電壓、輸出電流及轉速各值。
首先，在風速16m/s，s恒定，改變負載電阻的情況下，16串、8串、4串、2串各自的輸出特型如圖1 ]。眾所周知，發電機功率受阻抗的影響大，而且，各種模式下，均存在輸出功率****的****阻抗值。通過16串、8串、4串、2串的自動切換，用同一臺發電機可求得多個****阻抗值。因為這些****值均處于發電區間內，借助連接模式的改變可覆蓋那些發電區間,因而能在大范圍的阻抗值下維持發電。這樣，對于發電機與負荷的不匹配(失調)也能相應得到解決。為得到高效率的輸出，發電機與負載的匹配很霞要。通常，借助負荷跟蹤控制(****功率點跟蹤，MPPT)及功率調節器實現與負載的匹配。而在線圈連接模式變換的情況下，也能達到同樣的效果。列于其它的風速下，除功率大小以外，其它特性大致相同。圖12是以16極為例不同風速下功率特性的比較。由于風速的變化，****阻抗值也在改變。由風輪捕獲能量的變化導致其功率特性的變化，如圖所示。
圖13為風速16m／s時，各種模式下的發電機轉速在全阻抗下串聯數少的轉速高，從外部輸入風能一定的情況下，借減少串聯數可降低發電機的(起動)轉矩。發電機由于連接的阻抗值小到接近短路狀態，也即連接成比****阻抗值顯著小的阻抗值時，是難于發電的。圖11中，串聯數減少情況下，即使阻抗值小也能維持發電。故在減少串聯數場合，轉矩可以低，因而得到較高的轉速。
圖14為各個串聯數下的電壓電流特性。輸出功率的電壓與電流的關系中，具有串聯數多時電壓高，串聯數少時電流大的特點。因此，實施****的模式切換，向蓄電池裝置的充電也更有效。
3．3實驗研究結果
對采用Savonius J~輪的新型發電機進行了實驗研究。由外部提供一定風能的情況下，對各種模式的特性進行比較。從不同的功率特性對比中，因改變線圈連接可適應于廣泛的負載，故能保持發電量。通過模式的切換也能達到與負荷跟蹤控制相似的效果，而且，由此可改善發電機與負載的匹配。
在這些電壓一電流特性中，可以確認輸出功率的電壓與電流關系是：當增加串聯數時電壓升高，減少串聯數時輸出電流增大。此時，向蓄電池等儲能裝置充電時，電壓不那么高，有某種程度的電流流過也是安全的。
在轉速特性中，利用改變線圈連接模式減少串聯數時，發電機的轉矩能降低。因此，對發電機的串聯數進行****的定時、****的變換控制，就能有利于高效率的發電和高效率的充電。
3 4線圈模式變換裝置在風速改變下的實驗
本文論證了新型發電機的有效性。在變動的風速條件下，對作為獨立系統的線圈連接模式變換裝置進行了實驗。圖10所示實驗電路中，采用雙電層電容器(Un=54v，容量30 wh，64F)作為負荷，向變換裝置的變換器的輸入，為蓄電裝置的端子電壓。本實驗中，旨在進行以變動風速條件下的基礎試驗，而未考慮蓄電裝置作為負載所消耗的功率。
變動的風速如圖15所示，圖中風速從9～16 m／s呈規律的脈動，從實驗開始直到2000s。圖16所示為20000s期間的重復脈動，圖16是在圈15所示的變動風速下向蓄電裝置充電的電壓特性。圖中顯示了實施切換時的特性與儀為8串2并聯的特性對比。從2串8并聯到4串4并聯，切換的電壓值為16v；從4串4并聯到8串2并聯的切換電壓值為35V。假定在使用時已考慮到充電電壓的飽和特性。此外，向16串切換時，因蓄電裝置與發電機端子電壓不一致而未實施。
實驗是在開始時未對蓄電裝置充電的情況下進行的。本文所提出的新型發電機，與儀8串2并聯時的特性對比，充電電壓的提升早，這樣，向蓄電裝置的充電比未改變時的效率高。新型發電機具有多重的發電特性，比未變換線圈連接模式的發電機功率輸出性能更優越。
4結語
本文論述了具有大范圍功率帶的發電機的研制開發。采用16極的軸向式小型發電機，進行了理論和實驗驗證。特別在實驗研究中，通過微型風輪的實驗方法，證實了線圈連接模式切換的有效性。
作為今后的課題，需要研究模式切換的****定時。因實際輸入風力的自然風能變動激烈、頻繁，故必須考慮這些因素的****切換控制方法，以便充分有效地利用風能這一町再生能源。 |
