孙　凯

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古　呼和浩特　010051)



小型风力发电机组电压稳定性影响因素研究

孙凯

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特010051)

摘要：以一系列小型风力发电机组为研究客体，拟主要应用DH5902数据采集分析系统对发电机电压信号数据采集，进而根据IEC标准和国家标准计算相关电压稳定性指标，研究预得到电压稳定性的主要影响因素，给予小型永磁风力发电机电压稳定性优化切实根据。研究显示：低转速超负荷运行可使永磁发电机电压波动和电压偏差程度显著升高，故限制转速是提升电压稳定性的有效举措；再者电压稳定性各指标受发电机绝缘老化和退磁影响复杂，可使得气隙磁场谐波含量增大而电压偏差恶化但电压波动减弱。

关键词：小型风力发电机，电压稳定性，评价指标，影响因素

0引言

小型风力发电机组所用发电机以永磁发电机为主，永磁发电机性能提高方面的研究表明：其在运行中易出现温升超标，长此以往则会发生退磁、绝缘老化及效率下降等从而引起电压稳定性下降。并且此问题易被逆变器、变压器和功率补偿装置等放大而对电网造成一定冲击，故改进永磁发电机结构和运行条件是优化小型风力机电压稳定性的可靠方法[1，2]。

就并网型风电机组而言，国内外已有学者从功率补偿器、逆变器等的改善方面开展了广泛的研究。然而，鲜有学者针对离网运行风电机组，从测试角度研究发电机内在特征及运行条件导致的电压稳定性下降问题，更未论述如何提高其电压稳定性[3-5]。针对以上研究的局限性，文章以不同系列典型永磁风力机为研究客体，引用IEC标准和国家标准中电压稳定性评价指标，并以永磁发电机的不同结构以及运行条件为各指标的可能影响因素，开展针对性的实验研究。最后根据实验结果对改善小型风力发电机电压稳定性提出建议。

1小型风力发电机电参数采集实验

该实验过程在内蒙古工业大学流动测试及优化匹配实验室进行，以变频器调节电动机转速的方式用电动机代替风轮驱动永磁发电机。

1.1设备及条件

本文以四个系列典型小型永磁发电机为实验对象，其参数对比见表1。测试选用DH5902数据采集分析系统、Fluke 190示波表、Fluke Norma 5000功率分析仪等设备进行永磁发电机电压数据采集，以交流阻感可调负载箱为实验负载。以上设备在测试过程中对电压信号可实现监测、波形显示、存储以及分析功能。

表1　测试用永磁发电机对比

1.2测试方案

测试中选择发电机转速范围为400～1 000 rpm，使得发电机正常出力的同时低于异步电动机的额定转速，数据采集点取100 rpm间距下各转速值。交流负载的选取宜先投适量感性负载保护再取较大阻性负载逐渐减小。如图1，永磁发电机通过轴传动机构与电动机联接，调节变频器频率以改变发电机转速，由永磁发电机输出三相交流电在数据采集系统中被采集、测量，最终被交流负载消耗。

2小型风力机电压稳定性指标

2.1电压稳定性指标的确定

参考IEC61000-3-3《限值—每相额定电流不

图1　测试系统框图

高于16A且无需有条件连接设备用公共低压供电系统中电压变化、电压波动及闪变的限制》等电能质量IEC标准以及GB / T20320《风力发电机组电能质量测量和评估方法》等电能质量国家标准，将电压波动和电压偏差等作为小型风力发电机组的电压稳定性的评价指标。本文将依据各类标准确定小型风力发电机组的电压波动及电压偏差的数据处理方法[6，7]。

2.2指标的数据处理方法

根据GB / T12326-2008，电压波动可以通过电压方均根值曲线U(t)来描述，而电压变动d是衡量电压波动大小的指标[8]。电压变动d的定义表达式为：

式中：ΔU—电压方均根值曲线上相临两个极值电压之差；

UN—系统标称电压。

在实验采集得到的电压波形曲线上任意选取20个紧邻但不重叠的计算时间窗口，每个计算窗口包含5个波形周期，在各计算窗口上每半个周期计算一次方均根值并绘制方均根值曲线，从各方均根值曲线上选择△U最大值为测量值，根据各测量值的算术平均值计算电压变动d(%)。系统标称电压以基波电压的方均根值为准。

关于电压偏差的计算公式，国家标准中规定如下：

式中的电压测量值为电压信号曲线上一定周期测得的电压方均根值[9]。根据10周波的基本计算时间窗口得到电压方均根值，然后取20个不重叠的计算窗口，读取并计算电压方均根值的算术平均值即为上式中的电压测量值，即可得电压偏差值。

3小型风力发电机电压稳定性指标分析

3.1测试结果初步处理

由于测试过程仅可得到三相电压波形曲线，观察缺乏直观的量化效果，为了初步评价发电机电压稳定性，依据上小节中关于电压波动和电压偏差指标的测量数据处理方法，在各系列实验测量的电压信号数据中，分别对各转速取稳定部分0.15 s，在信号曲线上每半个周期计算一次方均根值，可以得到各系列小型风力发电机组电压方均根值曲线如图2。

图2　发电机电压方均根值曲线

对比图2中各曲线，各系列发电机易在400～600 rpm低转速下出现较为严重的电压波动和偏差，而其在高转速条件下电压表现得更加平稳。因此可以初步确定在超负荷或者低风速运行工况下，更容易使得电压稳定性下降。此外，由于相同转速下各系列发电机之间电压稳定性均有一定差别，但无法直观对比，故需针对电能质量指标进行分析。

3.2电压波动分析

以电压变动值衡量电压波动情况，针对初步处理得到的电压方均根曲线，进一步处理得到发电机电压变动随转速变化情况见图3。

图3　电压变动实验结果

根据图3实验结果，各系列发电机均在转速升高时电压变动d呈现先正相关后负相关变化趋势，d值500 rpm时出现最大值，约为1 000 rpm时的2.07～3.20倍，因此避免超负荷低转速运行可有效降低电压波动，尤其应避免500 rpm下运行。当发电机输出电压增大时，电压波动受到气隙磁场产生的间谐波的冲击减小，因而高转速低负荷运行易有效控制输出电压波动。

由于系列1与系列2内部结构条件基本相同，最大差异是前者不存在退磁和绝缘老化而后者存在，而图3中1 000 rpm时系列2的d值较系列1减小约51.0 %。这是由于当气隙磁密为定值即发电机谐波源稳定且存在退磁和绝缘老化时，气隙磁场谐波含量增大而间谐波含量较之前相比有所下降。根据相关理论分析，电压波动一般不因谐波而产生，而由频率为系统频率非整数倍的间谐波引起。

3.3电压偏差分析

各系列发电机电压偏差随转速变化的实验结果三维图见图4。

图4首先从转速升高的角度说明电压偏差与转速呈现负相关关系，从400 rpm到1 000 rpm各系列发电机电压偏差降幅为75.3 %～87.9 %，可见低转速下更易发生电压偏差。表明超负荷运行下发电机温升短时间内过大使得永磁体磁综合性能下降，磁场相电势输出产生一定偏差。此外，依据系列1、3、4实验结果对比，电压偏差与发电机转子磁通大小同样以负相关趋势变化。

图4还揭示由于存在绝缘老化和退磁，1 000 rpm时系列2较系列1电压偏差增大约2.65倍，可见退磁和绝缘老化对电压偏差的影响较大。由于反复充、退磁易造成永磁体出现不同程度的局部退磁，使得磁场旋转过程中局部磁通量减少，电压偏差增大。

图4　电压偏差实验结果

4结论

采用实验测试的方法对小型风力发电机组电压稳定性指标及其影响因素进行研究，结合相关国家标准和IEC标准确保了实验数据处理的有效性。根据以上对实验结果图的分析与总结有如下结论：

1)采取增大发电机转速以及降低负荷的手段，电压波动和电压偏差最高可分别缩减80.3 %、87.9 %，因此避免风力机低转速、超负荷运行可有效提高风电机组电压稳定性。

2)绝缘老化和退磁可使得电压稳定性有较为复杂影响，可使电压偏差增大约2.65倍，但同时使得电压变动减小约51.0 %，相比而言电压稳定性有所下降。

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GB / T 20320—2013.Measurement and assessment of Power quality characteristics of Wind turbine generator system(2013)[S].

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[9]GB / T 12325—2008.电能质量 供电电压偏差(2008)[S].

GB / T 12325—2008.Power quality-Deviation of supply voltage(2008)[S].

收稿日期：2016-04-12；修回日期：2016-04-13

作者简介：孙凯(1990-)，男，内蒙古包头人，内蒙古工业大学能源与动力工程学院在读硕士研究生，主要从事风力发电机电能质量优化研究。

中图分类号：TM614

文献标识码：A

文章编号：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