永磁发电机在离网型风电系统中运行特性的测试分析

温彩凤 ， 汪建文 ， 代元军 ， 刘雄飞 ， 车 飞

（1.内蒙古工业大学能源与动力学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古可再生能源重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051；3.呼和浩特职业学院，内蒙古 呼和浩特 010051；4.新疆工业高等专科学校，新疆 乌鲁木齐 830091）

0 引 言

我国地域辽阔，地形复杂，开展独立运行的风力发电设备研究，不仅可以解决电网无法达到的农村、牧区、边防哨所等地区用电，还可以改善环境、缓解电力供应紧张状况[1]。

理论上，各种发电机均能适用于离网型风力发电系统[2]。永磁同步发电机没有励磁绕组和励磁装置，不消耗励磁功率，还可省去滑环和电刷，与电励磁发电机比较，具有损耗小、效率高、结构简单、可靠性高等突出优点，且在低转速下也能发电，所以永磁同步发电机以其优异的性能被广泛应用到离网型风力发电系统[3-4]。文中以最适合离网型风电的发电机为目标，以某400W离网型风力发电的永磁同步发电机为研究对象，搭建了发电机特性综合测试平台，进行了发电机性能的各种测试，包括空载特性、输出特性、效率特性、外特性和转矩特性，并分析了运行特性曲线。

1 离网型风电对发电机的技术要求

离网型风力发电大多为单机运行，原理如图1所示。发电机输出的三相交流电经整流稳压后，向蓄电池充电后再给直流负载供电或逆变后给交流负载供电。针对某400W风力发电机对电机的技术要求和实际应用场合等情况，提出了风力发电机应具备以下6点条件[5]：

（1）发电机的工作转速范围1kW及以下为65%~150%额定转速；

（2）在65%额定转速下，发电机的空载电压应不低于额定电压；

（3）当发电机在额定电压下并输出额定功率时，其转速应不大于105%额定转速；

（4）在最大工作转速下，发电机应能承受输出功率增大至1.5倍额定值的过载运行，历时5min；

（5）在空载条件下，400W发电机的起动力矩应不大于0.5N·m；

（6）发电机额定运行时，其输出交流电压的频率不小于20Hz。

图1 小型永磁风力发电的原理图

2 发电机运行特性测试系统及其框图

发电机特性综合测试系统如图2和图3所示。采用VVVF交交变频器控制的额定功率为1kW、额定转速为1400r/min的三相异步电机，经传动比近似为1∶1的传动机构，驱动永磁同步风力发电机以不同的转速运行。在传动机构上安装了JW-1型扭矩仪，其显示器将扭矩、转速和功率值即时显示，并配套了数字示波器、EDA9033G数据采集器、万用表、固定阻性负载和可调变阻器。

图2 测试系统

图3 EDA9033G数据采集系统

测试系统整体框图如图4所示，被测风力永磁发电机基本参数如表1所示。额定功率400W，额定转速为750r/min，额定输出电压DC值24V，额定电流16.7 A，测量过程将工作转速范围设定在65%~150%额定转速。系统中使用EDA9033G数据采集器，将永磁同步发电机的三相交流电压、电流、总功率、有功功率、无功功率及功率因素等参数同时采集、显示和存储，数字示波器可随时观测输出电压波形的正弦特性，每次改变负载和可调变阻器后的总阻值用万用表测出。该测试系统经过试验运行，能够准确有效地完成测试任务，测量过程实现了全自动化、专业化和连续化，测试所得数据切实可靠。

3 发电机运行特性曲线拟合及分析

3.1 空载特性曲线

发电机空载时，发电机端电压与转速的关系，称为空载特性。即I=0时，U=f（n）的函数关系，空载特性是判断发电机低速充电性能好坏的重要依据，同时也可以反映发电机的输出电压随转速变化的规律。如图5所示，空载时发电机的起始建压转速为29.7r/min，且转速在488r/min（额定转速750r/min×65%）时，输出直流电压为28.8V，已大于有载时额定电压24V，起动力矩为0.136 N·m，小于国标0.5N·m。

图4 试验系统框图

表1 400W风力永磁发电机参数

图5 空载特性曲线

3.2 输出特性曲线

输出特性又称负载特性，它是指发电机向负载供电时，发电机电流随着转速变化的规律，即I=f（n）的函数关系。如图6所示，从曲线中可以看出，当转速达到一定值后，发电机的输出电流几乎不再继续增加，这是由于随着定子绕组中感应电动势的增加，定子绕组的阻抗也随着转速的升高而增加，另外定子电流增加时，电枢反应的增强会使感应电动势下降，从而抑制了电流的不断上升。因此，该永磁同步发电机具有限制输出电流的能力，符合交流发电机不设置限流器的特点。

图6 输出特性曲线

3.3 效率特性曲线

测试系统所测风力永磁同步发电机的效率定义为 η=ξ×（P2/P1）×100%，其效率与转速的关系曲线如图7所示。其中：P1为三相异步电动机的输入功率（W），由扭矩仪感应显示；P2为永磁同步发电机的输出功率，由采集器EDA9033G采集显示；ξ连接电动机与发电机的轴传动比，由于是直接驱动式，所以忽略连轴器之间的微摩擦损耗后取1。测量时，按照标准测试法，将发电机的转速分别设在65%、80%、100%、125%和150%额定转速下[6]，且在额定转速以下输出电压为额定值，在额定转速以上，保持额定功率时的负载电阻值不变，采取直接负载法（纯电阻）测定此时发电机的输入输出功率，求得对应的效率。其转速与效率、转速与输入输出功率的关系曲线如图7和图8所示。

图7说明发电机在额定转速左右时效率较大，额定转速时效率最大为69.8%。图8中转速从700～750 r/min时，输入功率和输出功率曲线逐渐接近，且在750 r/min时最接近，说明此时效率最大；在750 r/min以后，两曲线随着转速增加越来越远，意味着效率降低，当然输入不同，输出也不同，但曲线变化趋势几乎一样。

图7 效率特性曲线

图8 转速与功率曲线

3.4 外特性曲线

外特性是指转速一定、负载的大小改变时，发电机的端电压与输出电流的关系。即n=常数时，U=f（I）的曲线，如图9所示。在转速变化时，发电机端电压有较大变化，在转速恒定时，由于输出电流的变化对端电压影响也很大，因此，要使输出电流稳定，必须配用电压调节器。高速时，当发电机突然失去负载，输出电流迅速下降至零，导致端电压急剧升高，会对风力系统的电气设备产生击穿性破坏，所以要避免这种现象发生。

图9 外特性曲线

3.5 转矩特性曲线

发电机转矩是衡量其驱动特性和输出能力好坏的一个重要指标，其中包括静态转矩和动态转矩。静态转矩是静止转矩和匀速转动转矩的统称，动态转矩是随负载和转速变化的转矩。该文静态转矩只考虑发电机起始建压转矩，为0.136 N·m，着重研究动态转矩。诸多因素影响着永磁发电机的转矩特性，文中就离网型风电所用永磁发电机而言，仅考虑轴输入功率、输出功率、转速、负载及输出电流与转矩的关系。其中转矩与效率、输出电流和输出功率的关系曲线如图10所示，转矩增大，输出电流线性增大，效率增大到最大值后又缓慢下降，功率非线性地增大。

图10 负载一定且为32Ω时转矩、效率与电流曲线

转速、负载与转矩的关系如图11所示。由图可见，当负载一定时，转矩随转速的增加而增加；同一转速下，负载越大，转矩越大。转矩与输入功率和转速的变化关系如图12所示。每一轴输入功率对应特定转速下转矩最大，此时输出电流也最大，充入蓄电池电能最多，并且输入功率越大，输出最大转矩所对应的转速也越大，说明出力也大。

图11 负载、转速与转矩曲线

图12 转矩、功率与转速曲线

4 发电机的性能评析及最佳特性

4.1 试验发电机的性能评析

该风力发电机采用稀土永磁材料励磁，省去了电刷和集电环，减少了维护，提高了可靠性；发电机的效率相对较高，起动阻力转矩较小，仅为0.136N·m，且在较低转速时便于起动；转速在765 r/min（于750 r/min×105%）时，输出额定功率400W和额定电压24V，且额定运行时，输出交流电压的频率为45.8Hz，符合国标超过20Hz的标准；过载能力较强，在最大转速下，能够输出628W（大于400W的1.5倍）功率，且持续时长10 min停机后，发电机完好无恙。综上，该发电机性能优异，应运于离网型风力发电系统中时，由风轮直接耦合驱动，使整机结构得以简化，装置重量减轻，造价降低，并且能够改善风力发电机的低速发电性能和超载能力，从而提高了风能利用程度。

4.2 适合于离网型风电的发电机最佳特性

上述400W风力发电的永磁同步发电机经过大量的实验和理论论证，各项性能指标基本符合国家标准，也能够较好地应运在风电系统中。但由于离网型风电的特殊性和运行环境的复杂性，发电机要表现出最佳特性应再加以下3点要求：

（1）当输出达到额定功率时，随着转速的增大，输出功率变化很小，能够保持最好；

（2）为了充分利用低风速段，微风就能发电，发电机的起始建压转速越小越好；

（3）发电机转速超出额定值时，除了具有强过载能力，自身应具有良好的散热功能。

5 结束语

该文依据国家风力机械标准，主要对小型风力发电机所用永磁同步发电机的性能测试技术进行了探讨，并搭建了发电机特性综合测试平台，系统地阐述了电动机直接驱动式测试技术的方法、步骤和内容。依据测试结果，拟合了发电机运行特性曲线。通过各曲线的分析研究，对该400W风力发电的永磁同步发电机的性能作了合理评析，并结合离网型风力发电实际运行情况，对发电机表现出最佳运行特性附加了几点要求，为进一步深入研究奠定了基础。

[1]王晓港，翟庆志，杨德昌.离网型风电系统的现状[J].新能源，2008，257（10）：46-47.

[2]窦一平，陈海镇.稀土永磁同步发电机外特性的向量法分析[J].南京航空航天大学学报，1999，31（3）：312-317.

[3]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2008，1（5）：273-307.

[4]Arifujjaman M，Iqbal M T. Energy capture by a small wind-energyconversion system [J].Applied Energy，2008，85（1）：41-45.

[5]风力机械标准汇编：2006/全国风力机械标准化技术委员会，中国农机工业协会风力机械分会编[M].北京：中国标准出版社，2006，11（1）：576-578.

[6]GB/T 19068.2—2003离网型风力发电机组试验方法[M].北京：中国标准出版社，2003.