张 岳，吕 欣

(1.辽宁科技学院电气与信息工程学院，辽宁 本溪 117004 ；2.省政府大院电力管理所，辽宁 沈阳 110031)

无刷双馈风力发电机在供暖系统中的应用

张 岳1，吕 欣2

(1.辽宁科技学院电气与信息工程学院，辽宁 本溪 117004 ；2.省政府大院电力管理所，辽宁 沈阳 110031)

无刷双馈电机是一种新型特殊感应电机，在分析了无刷双馈电机的运行机理的基础上，设计一个功率5kW、6/2极的磁障转子无刷双馈风力发电取暖系统，基于场路耦合有限元法，仿真分析了在负荷相同情况下，不同转速下的磁障转子无刷双馈风力发电取暖系统运行状况。仿真结果表明：该电机在风电供暖系统是可行的，为无刷双馈风力发电机在供暖应用方面提供理论依据。

风力发电；供暖；有限元

风能作为可再生能源，可反复不竭地使用，不存在对环境的污染问题，风能的利用价值正在被人们日益重视。我国累计风电装机容量居世界第一，然而随着装机容量的增长，电网消纳能力有限，出现较为严重的弃风现象。中国风能协会的数据显示，至2010年以来，我国清洁能源的浪费逐年上升，2011年浪费120多亿千瓦时，2012年就达到了200亿千瓦时。在东北地区，弃风主要集中冬季后半夜，原因是冬季后半夜风电出力较多，而电网负荷相对较低，同时为了保证供热，热电留给风电的容量较少，因此造成越来越激烈的弃风现象。为了减少弃风，促进风电健康发展，根据地区实际情况，采用风电供暖方法是解决消纳风电的一个有效方法〔1〕。

丹麦是风电供暖公认的成功典范，如果风电能够承担冬季供热的重任，就可替代现存的大量小锅炉，节能减排效果明显。风电供暖具有节能、减排、节资、环保、零费用，运行安全可靠，供暖无时间性等特点。

用于风电供暖系统的无刷双馈电机(Brushless Doubly-Fed Machine，简称BDFM)是一种特殊的电机，可在无刷情况下实行双馈运行。它具有变频器的容量小，功率因数可调节等特点，在大中型交流电机调速系统和风力发电系统中具有良好的应用前景〔2〕。

本文重点研究无刷双馈风力发电机对风电供暖系统的影响，基于场路耦合法，仿真分析了在不同转速、不同负荷下无刷双馈风电供暖运行特性。

1 无刷双馈风力发电供暖系统的运行机理

无刷双馈电机在定子上有两套绕组，极数为2p的功率绕组与电网相连，极数为2q的控制绕组通过变频器与电网相连。功率绕组输出电压的频率fp与发电机转速nr之间的关系为

(1)

由式(1)可知，通过改变控制绕组的电流频率fq和相序，即可得到电供暖所需要的供电电源〔2-6〕。

风电供暖系统一般由风力发电机、电加热器、散热器等组成，它将风电能存储于固体蓄热池中，储存的热能按需求向采暖或热水供给系统释放〔7〕。

2 无刷双馈风力发电供暖系统的仿真分析

本文用于风电供暖系统的无刷双馈发电机为磁障转子无刷双馈电机，电机结构参数如表1所示。基于表1参数，利用ansoft有限元软件构成的转子带磁障的无刷双馈发电机有限元模型如图1所示。

图1 无刷双馈发电机有限元模型

表1 电机结构参数表

图2(a)和图2(b)分别为电机转速为900rpm、负荷为40Ω电阻负载时的控制绕组、功率绕组电流以及功率绕组电压的仿真图，从图中可以看到：当电机转速为900rpm、负荷为40Ω时，功率绕组输出电压的频率为50Hz，幅值为200V，功率绕组电流幅值为5A，在负荷上将产生1732W的热量。

(a) 控制绕组电流波形

(b) 功率绕组电流波形

(c) 功率绕组电压波形

图3表示在相同负荷、控制绕组电流不同，不同转速(500 r/min、600 r/min、900 r/min和1000r/min)条件下，由功率绕组产生热量的情况。从图中可知，在转速不变时，功率绕组产生的热量随控制绕组的电流增加而增大；在控制绕组电流不变时，不同转速所对应的功率绕组产生的热量变化不大。

图3 不同转速下功率绕组输出热量图

3 实验验证

风力发电供暖系统试验平台的原理图如图4所示，其中磁障转子无刷双馈样机试验采用发电运行方式，原动机为感应电动机，由变频器Ⅰ供电驱动磁障转子无刷双馈电机作发电运行，其控制绕组由变频器Ⅱ供电，功率绕组通过电极直接与储热负荷连接，储热负荷为储热水箱。当原动机以某一转速运行时，磁障转子无刷双馈发电机通过调节控制绕组电流频率，使功率绕组输出的电流或电压频率一直保持50Hz，通过电极将将储热水箱中的水加热到一定温度，即将电能转换为热能，使热能以显热形式储存在水中，当需要热量时，将其释放出来供采暖需要。

图4 磁障转子无双馈发电机供暖系统原理图

图5为转速900r/min，控制绕组通频率10Hz的交流电源时，功率绕组给加热负荷产生测试电压波形图，从图中可以看出，当控制绕组电流频率为10Hz时，电流幅值为10A左右，功率绕组输出电压频率为50Hz，电压幅值200V，与图2的理论分析结果吻合，表明所设计的电机用于供暖系统是可行的。

图5实验波形

4 结论

利用磁障转子无刷双馈电机构成风力发电供暖系统，通过场路耦合有限元法详细分析不同转速下的风电供暖运行，并通过实验加以验证，理论分析和实验表明：风电供暖是解决风电弃风、增加风电消纳的切实有效措施。

〔1〕杨霄宵，韩悦.北方地区采用储热式电锅炉结合风电供暖的可行性〔J〕.建筑工程技术与设计，2014,1(上).

〔2〕王凤翔,张凤阁.磁场调制式无刷双馈交流电机〔M〕.长春:吉林大学出版社,2004.

〔3〕张岳,王凤翔,邢军强 等.磁障转子无刷双馈电机〔J〕.电工技术学报, 2012,27(7): 49-54.

〔4〕张凤阁, 王凤翔, 王正.不同转子结构无刷双馈电机稳态运行特性的对比实验研究〔J〕.中国电机工程学报, 2002, 22(4): 52-55.

〔5〕张凤阁,王惠军,佟宁泽等.新型无刷双馈变速恒频风力发电系统的建模与数字仿真〔J〕.太阳能学报, 2005, 26(5): 660-664.

〔6〕刘慧娟.径向叠片磁障式转子双馈无刷电机的研究〔D〕.北京: 北京交通大学, 2010.

〔7〕王峰，黄云华.微型风力发电取暖系统的设计与应用〔J〕.泉州师范学院学报，2011,29(4).

Application of Brushless a double-fed Wind Power Generator to Heating System

ZHANG Yue1，LU Xin2

(1.SchoolofElectricalandInformationalEngineering,LiaoningInstituteofScienceandTechnologyBenxiLiaoning,117004;2.PowermanagementofficeofProvincialgovernmentcompound,ShenyangLiaoning110031China)

The brushless double-fed machine (BDFM) is a new-type induction machine.According to the operating principle of brushless double-fed machine, the brushless double-fed machine with output power 5Kw, 6/2 poles and barrier rotor is designed for heating system.Based on field- circuit coupled finite element method, the operating characteristics of brushless double-fed wind generator for heating system is analyzed under the condition of same resistance load and different speed through simulation software.The simulation results show that the designed machine is reliable for heating system.

Wind power；Heating；Finite element method

1008-3723(2017)03-001-03

10.3969/j.issn 1008-3723.2017.03.001

2017-03-02

辽宁科技学院服务地方创新发展软科学项目(20162rkx-14)；辽宁省教育科学“十三五”规划2016年度立项课题“以大学生创新创业训练为平台，激发应用型本科人才创新和实践能力培养的研究(GHYB1601).

张岳(1965-), 男，河北玉田人，辽宁科技学院电信学院教授，博士.研究方向:特种电机及其控制.

TM315

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