小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓穩(wěn)定性影響因素研究

孫　凱

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古　呼和浩特　010051)

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小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓穩(wěn)定性影響因素研究

孫凱

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

摘要：以一系列小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究客體，擬主要應(yīng)用DH5902數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)電壓信號數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)計算相關(guān)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)，研究預(yù)得到電壓穩(wěn)定性的主要影響因素，給予小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定性優(yōu)化切實根據(jù)。研究顯示：低轉(zhuǎn)速超負(fù)荷運(yùn)行可使永磁發(fā)電機(jī)電壓波動和電壓偏差程度顯著升高，故限制轉(zhuǎn)速是提升電壓穩(wěn)定性的有效舉措；再者電壓穩(wěn)定性各指標(biāo)受發(fā)電機(jī)絕緣老化和退磁影響復(fù)雜，可使得氣隙磁場諧波含量增大而電壓偏差惡化但電壓波動減弱。

關(guān)鍵詞：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電壓穩(wěn)定性，評價指標(biāo)，影響因素

0引言

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所用發(fā)電機(jī)以永磁發(fā)電機(jī)為主，永磁發(fā)電機(jī)性能提高方面的研究表明：其在運(yùn)行中易出現(xiàn)溫升超標(biāo)，長此以往則會發(fā)生退磁、絕緣老化及效率下降等從而引起電壓穩(wěn)定性下降。并且此問題易被逆變器、變壓器和功率補(bǔ)償裝置等放大而對電網(wǎng)造成一定沖擊，故改進(jìn)永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件是優(yōu)化小型風(fēng)力機(jī)電壓穩(wěn)定性的可靠方法[1，2]。

就并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組而言，國內(nèi)外已有學(xué)者從功率補(bǔ)償器、逆變器等的改善方面開展了廣泛的研究。然而，鮮有學(xué)者針對離網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組，從測試角度研究發(fā)電機(jī)內(nèi)在特征及運(yùn)行條件導(dǎo)致的電壓穩(wěn)定性下降問題，更未論述如何提高其電壓穩(wěn)定性[3-5]。針對以上研究的局限性，文章以不同系列典型永磁風(fēng)力機(jī)為研究客體，引用IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中電壓穩(wěn)定性評價指標(biāo)，并以永磁發(fā)電機(jī)的不同結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行條件為各指標(biāo)的可能影響因素，開展針對性的實驗研究。最后根據(jù)實驗結(jié)果對改善小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定性提出建議。

1小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)電參數(shù)采集實驗

該實驗過程在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)流動測試及優(yōu)化匹配實驗室進(jìn)行，以變頻器調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方式用電動機(jī)代替風(fēng)輪驅(qū)動永磁發(fā)電機(jī)。

1.1設(shè)備及條件

本文以四個系列典型小型永磁發(fā)電機(jī)為實驗對象，其參數(shù)對比見表1。測試選用DH5902數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、Fluke 190示波表、Fluke Norma 5000功率分析儀等設(shè)備進(jìn)行永磁發(fā)電機(jī)電壓數(shù)據(jù)采集，以交流阻感可調(diào)負(fù)載箱為實驗負(fù)載。以上設(shè)備在測試過程中對電壓信號可實現(xiàn)監(jiān)測、波形顯示、存儲以及分析功能。

表1　測試用永磁發(fā)電機(jī)對比

1.2測試方案

測試中選擇發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為400～1 000 rpm，使得發(fā)電機(jī)正常出力的同時低于異步電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)取100 rpm間距下各轉(zhuǎn)速值。交流負(fù)載的選取宜先投適量感性負(fù)載保護(hù)再取較大阻性負(fù)載逐漸減小。如圖1，永磁發(fā)電機(jī)通過軸傳動機(jī)構(gòu)與電動機(jī)聯(lián)接，調(diào)節(jié)變頻器頻率以改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，由永磁發(fā)電機(jī)輸出三相交流電在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中被采集、測量，最終被交流負(fù)載消耗。

2小型風(fēng)力機(jī)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)

2.1電壓穩(wěn)定性指標(biāo)的確定

參考IEC61000-3-3《限值—每相額定電流不

圖1　測試系統(tǒng)框圖

高于16A且無需有條件連接設(shè)備用公共低壓供電系統(tǒng)中電壓變化、電壓波動及閃變的限制》等電能質(zhì)量IEC標(biāo)準(zhǔn)以及GB / T20320《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量測量和評估方法》等電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，將電壓波動和電壓偏差等作為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電壓穩(wěn)定性的評價指標(biāo)。本文將依據(jù)各類標(biāo)準(zhǔn)確定小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電壓波動及電壓偏差的數(shù)據(jù)處理方法[6，7]。

2.2指標(biāo)的數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)GB / T12326-2008，電壓波動可以通過電壓方均根值曲線U(t)來描述，而電壓變動d是衡量電壓波動大小的指標(biāo)[8]。電壓變動d的定義表達(dá)式為：

式中：ΔU—電壓方均根值曲線上相臨兩個極值電壓之差；

UN—系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。

在實驗采集得到的電壓波形曲線上任意選取20個緊鄰但不重疊的計算時間窗口，每個計算窗口包含5個波形周期，在各計算窗口上每半個周期計算一次方均根值并繪制方均根值曲線，從各方均根值曲線上選擇△U最大值為測量值，根據(jù)各測量值的算術(shù)平均值計算電壓變動d(%)。系統(tǒng)標(biāo)稱電壓以基波電壓的方均根值為準(zhǔn)。

關(guān)于電壓偏差的計算公式，國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定如下：

式中的電壓測量值為電壓信號曲線上一定周期測得的電壓方均根值[9]。根據(jù)10周波的基本計算時間窗口得到電壓方均根值，然后取20個不重疊的計算窗口，讀取并計算電壓方均根值的算術(shù)平均值即為上式中的電壓測量值，即可得電壓偏差值。

3小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)分析

3.1測試結(jié)果初步處理

由于測試過程僅可得到三相電壓波形曲線，觀察缺乏直觀的量化效果，為了初步評價發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定性，依據(jù)上小節(jié)中關(guān)于電壓波動和電壓偏差指標(biāo)的測量數(shù)據(jù)處理方法，在各系列實驗測量的電壓信號數(shù)據(jù)中，分別對各轉(zhuǎn)速取穩(wěn)定部分0.15 s，在信號曲線上每半個周期計算一次方均根值，可以得到各系列小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓方均根值曲線如圖2。

圖2　發(fā)電機(jī)電壓方均根值曲線

對比圖2中各曲線，各系列發(fā)電機(jī)易在400～600 rpm低轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)較為嚴(yán)重的電壓波動和偏差，而其在高轉(zhuǎn)速條件下電壓表現(xiàn)得更加平穩(wěn)。因此可以初步確定在超負(fù)荷或者低風(fēng)速運(yùn)行工況下，更容易使得電壓穩(wěn)定性下降。此外，由于相同轉(zhuǎn)速下各系列發(fā)電機(jī)之間電壓穩(wěn)定性均有一定差別，但無法直觀對比，故需針對電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行分析。

3.2電壓波動分析

以電壓變動值衡量電壓波動情況，針對初步處理得到的電壓方均根曲線，進(jìn)一步處理得到發(fā)電機(jī)電壓變動隨轉(zhuǎn)速變化情況見圖3。

圖3　電壓變動實驗結(jié)果

根據(jù)圖3實驗結(jié)果，各系列發(fā)電機(jī)均在轉(zhuǎn)速升高時電壓變動d呈現(xiàn)先正相關(guān)后負(fù)相關(guān)變化趨勢，d值500 rpm時出現(xiàn)最大值，約為1 000 rpm時的2.07～3.20倍，因此避免超負(fù)荷低轉(zhuǎn)速運(yùn)行可有效降低電壓波動，尤其應(yīng)避免500 rpm下運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓增大時，電壓波動受到氣隙磁場產(chǎn)生的間諧波的沖擊減小，因而高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷運(yùn)行易有效控制輸出電壓波動。

由于系列1與系列2內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件基本相同，最大差異是前者不存在退磁和絕緣老化而后者存在，而圖3中1 000 rpm時系列2的d值較系列1減小約51.0 %。這是由于當(dāng)氣隙磁密為定值即發(fā)電機(jī)諧波源穩(wěn)定且存在退磁和絕緣老化時，氣隙磁場諧波含量增大而間諧波含量較之前相比有所下降。根據(jù)相關(guān)理論分析，電壓波動一般不因諧波而產(chǎn)生，而由頻率為系統(tǒng)頻率非整數(shù)倍的間諧波引起。

3.3電壓偏差分析

各系列發(fā)電機(jī)電壓偏差隨轉(zhuǎn)速變化的實驗結(jié)果三維圖見圖4。

圖4首先從轉(zhuǎn)速升高的角度說明電壓偏差與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，從400 rpm到1 000 rpm各系列發(fā)電機(jī)電壓偏差降幅為75.3 %～87.9 %，可見低轉(zhuǎn)速下更易發(fā)生電壓偏差。表明超負(fù)荷運(yùn)行下發(fā)電機(jī)溫升短時間內(nèi)過大使得永磁體磁綜合性能下降，磁場相電勢輸出產(chǎn)生一定偏差。此外，依據(jù)系列1、3、4實驗結(jié)果對比，電壓偏差與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通大小同樣以負(fù)相關(guān)趨勢變化。

圖4還揭示由于存在絕緣老化和退磁，1 000 rpm時系列2較系列1電壓偏差增大約2.65倍，可見退磁和絕緣老化對電壓偏差的影響較大。由于反復(fù)充、退磁易造成永磁體出現(xiàn)不同程度的局部退磁，使得磁場旋轉(zhuǎn)過程中局部磁通量減少，電壓偏差增大。

圖4　電壓偏差實驗結(jié)果

4結(jié)論

采用實驗測試的方法對小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓穩(wěn)定性指標(biāo)及其影響因素進(jìn)行研究，結(jié)合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)確保了實驗數(shù)據(jù)處理的有效性。根據(jù)以上對實驗結(jié)果圖的分析與總結(jié)有如下結(jié)論：

1)采取增大發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及降低負(fù)荷的手段，電壓波動和電壓偏差最高可分別縮減80.3 %、87.9 %，因此避免風(fēng)力機(jī)低轉(zhuǎn)速、超負(fù)荷運(yùn)行可有效提高風(fēng)電機(jī)組電壓穩(wěn)定性。

2)絕緣老化和退磁可使得電壓穩(wěn)定性有較為復(fù)雜影響，可使電壓偏差增大約2.65倍，但同時使得電壓變動減小約51.0 %，相比而言電壓穩(wěn)定性有所下降。

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收稿日期：2016-04-12；修回日期：2016-04-13

作者簡介：孫凱(1990-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)電能質(zhì)量優(yōu)化研究。

中圖分類號：TM614

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-6563(2016)03-0084-04

Research on influencing factors of voltage stability for small wind turbines

SUN Kai

(CollegeofEnergyandPowerEngineering，InnerMongoliaUniversityofTechnology，Hohhot010051，China)

Abstract：This study provides a series of small wind turbines as the research object.The data acquisition and analysis system especially DH5902 are adapt to collect voltage data，and according to IEC standards and national standards the indexes of voltage stability are calculated.The study would give the influencing factors of voltage stability，so that the practical basis can be provided for voltage stability improvement of small permanent magnet wind turbines.It shows that the low speed or overload operation could lead to voltage fluctuation and voltage deviation easily.Therefore，limited speed is reasonably necessary for voltage stability optimization.In addition，the insulation ageing and the demagnetization make the voltage stability indicators vary complicatedly，and make the harmonic content of gap magnetic field increase，so that the voltage deviation has worsened and the voltage fluctuation has decreased.

Keywords：small wind turbines，voltage stability，evaluation indexes，influencing factors