并网分相感应发电机功率因数的改善

蒙学良

（从江航电枢纽项目管理有限公司）

0 引言

单相异步电动机广泛应用于家用、工业、农业等行业，如洗衣机、冰箱、水泵、风机等。尤其是在新能源发电利中采用单相异步电机已得到了广泛认可，因为可再生能源在自然界中是无限的，符合低碳目标，因此这种发电趋势每年都在增加。风能是最环保的无环境影响发电能源之一。众所周知，风能是清洁的，对城市和农村社区是有用的。因此，有效的风力发电对国家是有利的，特别是单相异步电动机在局部地区的广泛使用，有必要对其进行深入全面研究。

如果感应电机的转速略高于同步转速，并为磁激励提供所需的无功功率，感应电机就可以像发电机一样工作［1-2］。与同步发电机相比，异步发电机结构坚固、简单、可靠、成本低廉，维护费用较低。此外，感应发电机还具有过载和短路的自我保护功能。

感应发电机可以在两种情况下工作，即并网和独立工作。并联发电机可以从电网中提取无功功率［3-4］。独立的感应发电机不能产生无功功率。因此，发电机必须连接到安装在线圈端子上的电容器上进行无功功率补偿，电容器将产生发电机所需的无功功率，同时作为负载［5］。与同步发电机的频率由极数和转速决定不同，自励感应发电机在电压和频率调节方面存在调节难的问题，因此需要进行专业分析。

1 技术分析

根据过去的研究，作为发电机运行的感应电动机吸取无功功率，从而降低功率因数。在提高功率因数时需要一个电容器进行无功补偿。并网单相感应发电机功率因数低，会导致发电机输出的有功功率偏低，而无功功率则极高，因此会大幅降低发电机的负载能力、效率和电力质量，甚至使电路发生失稳现象，对电网造成负面影响。

并网单相感应发电机功率因数改善的方法有很多，主要包括：采用电容器并网法，针对并网单相感应发电机功率因数低导致负载能力下降、电力质量变差等缺点，可以通过加装电容器的方式来解决。电容器的加装可以增加系统的无功容量，提高功率因数，从而提高并网单相感应发电机的负载能力、改善电力质量，提高电能利用效率；采用无功补偿装置并网法，无功补偿装置是一种用来改善并网单相感应发电机功率因数的重要设备。无功补偿装置是通过电容器、晶体三角等器件实现的，可以有效提高系统的功率因数，减小无功功率，提高并网单相感应发电机的负载能力，提高电网的电能质量；采用PWM变频器调制技术并网法，并网单相感应发电机采用PWM变频器调制技术可以将发电机的交流电压转换为直流电压，再通过逆变器和矩阵变换器实现AC／DC／AC变换。通过这种方式，可以实现对发电机的PID控制，从而有效地解决发电机负载能力下降、电能质量变差等问题。综合以上分析，采用这些并网单相感应发电机功率因数改善方法，可以有效地提高发电效率，改善电力质量，提高并网单相感应发电机的负载能力，从而实现电网的稳定运行。

研究发现，在启动直接并网时，起动涌流较大。它还需要一个电力电子转换器，以减少高起动电流和电磁转矩。因此，软起动，稳定性和可靠性出现。因此，本研究主要针对单相并网感应风力发电机之研究与分析，包括改善功率因数与降低励磁涌流。这些内容将在以下各节中给出。

本文的研究结果可以为单相有效风力发电机的指导原则提供参考。

2 理论分析

自励感应发电机不能产生无功功率。因此，发电机需要连接到安装在线圈端子上的电容器上进行励磁。电容器同时产生发电机和负载所需的无功功率。在将电压保持在发电机的标称极限时，需要从电容器励磁中增加无功功率。自励感应发电机的电压产生是从铁芯中残留的磁场和转速开始的，定子线圈上产生的电压的大小取决于剩余磁场的大小、线圈的数量和发电机转子侧的转速。当磁场剩磁较强及转子转速较高时，定子线圈所产生的电压会持续增加，直至达到稳定状态，定子线圈上的电压增加，随后电容器上的电流增加。由于电流的增加，定子和转子的磁场都增加了，定子磁场与转子磁场之间相互感应互易。随着相互感应，定子和转子上的电压会增加，定子和转子的磁场平均移动。要作为感应发电机运行，必须有一个速度差称为转差率。

2.1 单相感应电机等效电路

在本研究中，分相感应电动机作为发电机运行，考虑在稳定状态下与单相电网连接起动。主绕组的等效电路只考虑稳态条件，而不考虑起动转速。单相分相感应电动机只考虑主绕组时任意转差的等效电路如图1所示。

图1 任意滑差感应电动机

本文研究选择一个不包括铁心损耗的等效电路作为图1，因为铁心损耗被视为常数进行简化分析。因此，正向磁场阻抗（Zf）和反向磁场阻抗（Zb）如下：

定子电流I1可以计算为：

单相感应发电机各部分的功率计算如式（3）～式（12）所示的具有负转差的等效电路进行。

前向磁场气隙功率Pgf和后向磁场气隙功率Pgb如下：

总电磁转矩T为：

电磁功率（Pe）可以计算为：

供给单相感应发电机的机械输入功率（P0）是：

其中，P′表示机械损耗。

转子总铜损（PCu2）为：

定子总铜损（PCu1）为：

单相感应的输出功率（Pout）计算如下：

利用（6）和（9）给出了单相感应发电机的效率（η）：

2.2 单相电压控制器原理

单相感应发电机与电网直接连接，励磁涌流和转矩都很大。因此，选择单相电压控制器，以减少这种连接期间的励磁涌流和转矩。单相电压控制器用于连接风力发电机和电网，以提供软启动。等效电路图如图2所示。单相感应发电机被认为是一个反电动势与电感串联的负载。

图2 带反电动势和感应负载的单相电压控制器

3 实验分析

3.1 测试及分析

本文是关于自励感应发电机负载变化效应的实验研究，所提出的感应发电机的额定功率为500W。首先，发电机轴以其同步速度旋转。达到同步转速后，连接励磁电容直至产生电压。通过调节速度直到达到额定电压，负载被连接到发电机。当电压下降时，速度会重新调整，直到电压保持不变。系统测试从空载开始，然后连接负载并逐渐增加。

本文旨在得到并网分相感应发电机功率因数及励磁涌流的改善措施，实验从同步转速开始，直到同步转速稍高一点，以保持由于负载变化而产生的电压值。感应发电机参数见表，模型如图3所示。

表 部分参数

图3 单相并网异步发电机试验示意图

当考虑如图4与图5所示的结果时，发现与测试结果相比，每个图形在某一区域的测试结果具有相同的误差。它已经忽略了铁心损失、杂散负荷损失、测功机校正因子等损失量。从测试结果可以看出，功率因数非常低。因此在下一节中将引入用电容器连接提高功率因数的方法进行无功补偿。

图4 不同转速时计算和实验输入及输出功率

图5 不同转速时计算与实验电流及转矩

3.2 功率因数改善

改善功率因数结构图如图6所示。

图6 功率因数改善示意图

从图7可以得出，当连接电容器进行无功补偿时，发现实际功率没有改变，而无功降低了约85%。因此，功率因数增加，电流减少。如图8所示，将电容器与单相感应发电机并联可以补偿无功功率，从而提高功率因数，增加电力系统的可靠性和稳定性。

图7 有补偿与无补偿时功率比较

图8 有补偿与无补偿时功率因数与电流比较

当功率因数得到改善时，在相同转速下，电压总谐波接近失真，但在功率因数得到改善后，在相同转速下，电流总谐波失真的百分比急剧增加，特别是当发电机提供负载时，电压、电流实际功率在1565r／min的波形显示如图9所示。

图9 电压电流功率波形图

3.3 单相感应发电机并网励磁涌流抑制

单相感应发电机软连接如图10所示。

图10 单相并网异步发电机软连接试验示意图

从图11可以看出，使用电压控制器作为软启动发电机运行的单相感应电动机的峰值起动电流降低了约75%～80%，直接起动和软起动的电压、电流和功率的示例分别如图12、图13所示。

图11 直接启动与软启动励磁涌流

图12 直接启动时转速1565r／min时各波形图

图13 软启动时转速1565r／min时各波形图

从图12中可以发现，在直接连接时，单相并网感应发电机在连接到稳态时需要75～100ms。转子转速为1565r／min时，励磁涌流峰值为24.23A。从图13的软连接可知，发现单相并网感应发电机在软连接到稳态时需要大约200～250ms。在转子转速为1535r／min时，最大励磁涌流为5.58A。与直接接线相比，峰值励磁涌流降低到76.97%。

4 结束语

本文分析了单相分相并网异步发电机在并网过程中功率因数的改善和励磁涌流的降低。结果表明，等效效率的计算结果与实验结果相比，误差较大，因为分析基于相量，没有考虑饱和和谐波。核心损失也不包括在内。电容器并联单相并网感应发电机可以提高功率因数。然而，由于总谐波失真增加，连接的电容器会影响电能质量。与直接连接相比，软连接采用单相交流电压控制器，励磁涌流减少约75%～80%。此外，仿真结果与试验结果基本一致。