1 前言
由于天然资源的枯竭和地球的温升效应，风力发电得到了急速的发展。但是，在目前风力发电系统中，由于发电机和风轮机之间的配合不当而出现一些实质性的问题：(1)在变动风速下，经常不一定能取得风轮的最大功率；(2)初期成本和运行成本高；(3)一年的净发电量少，特别在必设控制电路又未刮风或未吹动风叶情况下，还需要待机功率，使得每年的净发电量减少。本文，对能解决或缓解这些问题的发电装置，定义为“与风轮整合性好”的发电装置。
原来的发电装置通常有变频方式和整流方式两种。变频方式中，为在变动的风速下得到风轮的最大功率，利用变频器进行可变速的运转。但是由于变频器控制电路的操作电源需要待机功率，以及因PWM变换器的开关损耗，所消耗的功率比低风速时从风轮取得的最高功率还要大，有效的净发电量成为“负数”。待机功率相对发电容量可能占较大的比例，尤其在小型风力发电系统中较为明显。
在整流方式中，将永磁发电机的输出经过整流后，输出直流功率。例如，若按10m/s高风速时取得额定功率设计，则在风速出现频度高的5m/s风速以下时，风轮处于“空”转状态，在此风速下即使是风轮的转速高，因发电机输出电压比作为负载的直流电源的电压还低，故不能输出功率。
考虑到这些情况，特别着眼于上述的问题(1)，研究开发了新方式的发电装置。下面，对此发电装置，称之为“无CC（无控制电路）”的新型发电装置。
无CC发电装置（简称无CC），没有待机功率，没有常规所需的控制电路和由开关元件组成的PWM变换器，这是由能使风轮输出最佳化的永磁同步发电机、电抗器和整流器组合的发电装置。
将这一“无CC”应用于直线叶型立轴风轮，进行了试验。对应于上述的问题(1)，这个与风轮整合性高的发电装置，由试验结果已得到确认。本文对有关“无CC”的概要，试验结果，提高功率特性的策略以及适用的方法予以介绍。
2 获得风轮最大功率的方法
2.1 原理  
图1所示为受风面积5m2的直叶型立轴风轮(SW-VAWT)。图2为风轮机的特性曲线。一旦确定风轮的形状，功率系数Cp与叶尖速比β的关系也就确定。叶尖速比β由式(1)给出。从而，各个风速下风轮输出最大功率的转速N(opt)则由式(2)给出，N与各个风速成比例。
β=2π×N×R/V     (1)
N(opt)=βmax×V/(2πR)=K1×V                  (2)
W=0.5×ρ×Cp×A×V3³                        (3)
W(max)= K2×N3                                     ³        (4)
式中，R—风轮半径(m)；N—风轮转速(rpm)；N(opt)—各个风速下风轮最大功率时的转速；V—风速(m/s)；Cp—功率系数；β—叶尖速比；βmax—功率系数Cp最大时的叶尖速比；ρ—空气密度(Kg/m3)；W—风轮功率(W)；W(max)—各个风速下风轮的最大功率；A—风轮受风面积(m2)；K1， K2—比例常数。
下面，假定风轮与发电机在无损耗的齿轮传动下，对风轮的转速予以说明。
图3所示为，以风速为参数，受风面积5m2的SW-VAWT功率特性，以及整流方式下的功率特性。稳定风速下各个风速的风轮输出与发电机输入的交点，为风轮的工作点。图中，用实线连接的各个风速的最大输出点为三次（立）方曲线，也即，风轮具有的最大功率。
由此，如果忽略齿轮传动等的机械损耗，风轮的输出=发电机的输入。为了经常从风中获得最大的功率，对应于风轮转速的发电机输入功率特性，若能跟踪风轮最大功率的立方曲线，则十分理想。
2.2 原来的发电装置
对原来的小型风力发电装置而言，有变频方式和整流方式。变频方式中，通过发电机转矩控制的可变速运转，能取得风轮的最大输出功率，但变频控制回路的操控电源所需的待机功率，以及因PWM变换器的开关损耗，总的消耗功率比低风速时从风轮得到的最大功率还多，故存在年净发电量少的问题。
一般在风力发电系统中，发电装置向容易用作负荷的直流电源输出，采用这一形式较好。此时，将整流器接到永磁发电机的输出，该整流方式的发电机输入功率，如图3的虚线所示。当风速在出现频度高的5m/s风速以下时，风轮的转速即为该风速下的最高转速。发电机的输出电压，比作为负荷的直流电源的电压还低，因此存在的问题是不能获取功率。
3 无CC方式的发电装置
3.1 无CC方式的原理   
为了获得风轮的最大功率，按照式(4)，发电机功率，能跟踪对应于风轮转速而具有的立方特性（即风轮最大的功率曲线），并考虑电气损耗的基础上，所能取出的发电机功率是最理想的。无CC方式中，只有勿需操控电源的无源元件，图3中的实线与虚线重叠，对这种方式进行了开发。
3.2 无CC方式的主电路结构 
所谓“无CC”，即“无控制电路”或者“无变换器电路”。这是由内装多个线圈并产生不同感应电压有效值的永磁发电机，带分接抽头的电抗器，以及仅由无源元件构成的整流器所组成。这样一种CPU和未使用开关器件等有源元件，是无CC方式的一大特点。图4为无CC的永磁发电机，内部装有两种线卷时的主电路结构实例。图5所示，为图4的无CC方式下，向作为负荷的恒定直流电源输出时的输入/输出特性曲线。
3.3 无CC方式的负荷
无CC发电装置是输出直流电流的装置，也就是一种可变的直流电流源。藉助无CC方式与其它的器件构成它的直流输出，输出到用作负荷的直流电源上。
作为这一负荷的直流电源，无论是独立负荷（蓄电池等），或是连接于系统的负荷（可进行一定直流电压控制的变频器等），都能与无CC装置连接。如负荷的直流电源电压基本稳定，一旦强风时的转速增加，基于无CC的特性，相应于转速下的直流输出将大致按三次方的特性增加。但是，作为负荷的直流电源电压值升高时，电流不易流通，无CC的输出减小。相反，直流电源电压值降低时，无CC的输出增加，而过度的增加则风轮处于失速状态。
3.4 多线卷与电抗器的组合效果  
永磁发电机中，如果由永磁体决定磁通的大小，则感应电压有效值的大小由定子线卷的匝数和发电机的转速确定。从而在图5中，匝数多的W2线卷的直流输出，从低转速N2开始输出，随着发电机转速的上升，图5中虚线所示为“W2线卷输出”（无电抗器）的情况。然而，该状态下由风轮驱动无CC的发电机，发电机转矩比风轮的转矩还大，故风轮处于失速状态。也即，风轮的转速停留在图5的转速N2附近，未上升。
因此，将电抗器串联接于W2线卷，图5的黑色实线所示为“串联电抗器”的输出，W2线卷可承担具有风轮三次方功率特性的低风速区的输出。而匝数少的W1线卷的直流输出，是从风轮转速提高以后开始输出的。由于转速的升高，为取得大的功率，电抗器1的电感值小。图5的另一实线表示W1线卷的输出。线卷W1能在高风速区主要承担输出任务。
组合的输出，则表示无CC方式的输出。
3.5 无CC方式的设计方法   
无CC的设计，藉有限元法加边界元法，并采用二维磁场分析如下进行，首先，要明确图2所示风轮的性能，分别确定W1线卷开始发电的转速约为0.5nN左右（nN一额定转速）；W2线卷开始发电的转速约为0.25nN。再由这些转速确定各线卷的匝数及永磁体磁通的大小。然后，按照无CC发电机的输入来决定电抗器1和2的电感值。发电机的输入与相应转速下具有立方特性的风轮最大输出特性近似。发电机设计时，按电磁场分析结果，电抗器2导致的电压降要求在NN下，线卷W2的空载感应电压达到75%左右为宜。但是，这些电抗器导致的电压降全变为损耗，不滞后的无功部分的损耗小。
4 无CC方式的验证装置
4.1 利用饱和电抗器改善性能    
既要掌握受风面积5m2的SW-VAWT的特性曲线，又要对风轮的最大输出进行整合。我们试制了无CC方式的验证装置。
这一无CC方式的规格参数如下：转速200rpm，发电机输入功率1.8KW，最大起动转矩1.7Nm，负荷的直流电压24V。
使用的发电机是其它用途的外转子式电动机（3Φ、30p、36槽、铁心外径Φ435、钕铁硼磁钢）；对其定子绕组进行了改造，一个槽内放2种线卷。
风轮的运转速度范围有1∶3.5足够。无CC的发电机中，若内装3种线卷，能实现近似的立方特性，但制造工时和周边部件的增加涉及到成本的提高，而装入2种线卷，特别在图5所示风轮转速N1附近及高转速区，无CC输出（W2线卷输出+W1线卷输出）对比粗实线表示的理想三次方无CC输出，相差较大。因此，在图4所示的电抗器2，采用饱和电抗器。电抗器1为非饱和电抗器，力图改善无CC方式的输出特性。图6为饱和电抗器的特性曲线。图7是线卷2接入饱和电抗器后的无CC特性，旨在风轮转速N1附近具有较大的改善，能接近于理想的三次方输出特性，下面的图15中，类似地用另一种形式验证了饱和电抗器的这一效果。饱和电抗器比较非饱和电抗器，还有重量轻的优点。
4.2 无CC方式验证装置的电气特性  
图8为无CC方式的电气试验线路图。电气特性试验时，驱动电动机是可变速的，作为负荷的直流电源电压保持恒定，对每一转速下发电机的输入转矩和无CC的直流输出均进行了测定。
图9所示为无CC方式验证装置的电气特性试验结果。横坐标为发电机转速，纵坐标表示输入（发电机输入功率）、输出（无CC装置的直流输出功率）以及效率。这是为确认无CC整合性的验证装置。设计时未计及效率，但由于W2线卷的电流密度减小，在出现频度高的低风速区效率是升高的，相应于发电机转速下，图9的输入近似于三次方特性，利用这一输入特性，未进行有源的控制而从风轮获取了最大的输出功率。
5 风轮的整合性试验
图1所示为将无CC方式的验证装置，直接连到现场试验的SW-VAWT风轮机上。有关风轮及无CC风轮的最大输出功率，对其整合性已进行过研究和实验。
为确认整合性的稳定，将图2的风轮特性与图9的无CC装置输入功率重合，如图10所示，从图10可确认，无CC的输入功率与一定风速下SW-VAWT的最大输出功率有很好的一致性。
图11为SW-VAWT与无CC方式验证装置，在变动风速下的整合性试验结果。以2秒的取样周期对每个风速下，无CC方式的输出功率进行测量。按每0.1m/s的风速分隔各测定值，以其每个风速下无CC功率的平均值作为实测值。
从图11可见，由于装置本身的的损耗，实测值位于实线表示的风轮最大输出功率以下。但即使没有用PWM变换器控制，无CC方式的输出功率从低速到高速，按变动的风速风能对应的风轮输出的变化，也具有较好的整合性。可确认能够获得风轮的最大输出功率。
6 适合整流输出的永磁发电机
适合于无CC方式的同步发电机，对其转子结构进行了定性分析。转子的表面无电流流过，这种带定子线卷的同步发电机模型由以下的电压方程式表示：
            (5)
式中，Vd、Vq—直轴与横轴的定子电压；id、iq—直轴与横轴的定子电流；R—定子电阻；Ld、Lq—直轴与横轴的电感；φ—与空载时定子线卷交链的磁通值；ω—转子的电角速度；P—d/dt。
以转子的磁通方向为d轴，与其正交的方向为q轴，上式(5)用d、q坐标表示。对于带励磁线卷的凸极转子结构和永磁体均布设置于转子表面的表面永磁式结构(SPM)，以及永磁体埋入转子内部的内部永磁式结构(IPM)，镶嵌式结构(ISPM)等，均可利用式(5)进行分析。
发电机输出不通过电抗器，直接整流，输出到直流电源时利用分析工具PSCAD/EMTDC在下列条件进行了模拟。
(1)以Ld<Lq的IPM发电机，基于其Ld和Lq值，假定了不同转子结构情况下的Ld和Lq值。
(2) IPM结构：Ld<Lq（ωLd=40%，ωLq=160%），SPM结构：Ld＝Lq（ωLd=ωLq=40%），带励磁线卷磁场的凸极结构：Ld>Lq（ωLd=160%，ωLq=40%）。与定子线卷交链的磁通φ，无论对哪种结构均不变化。故相对于相电压的各个电抗器的电压降以百分率表示。
(3)未考虑发电机的磁饱和，转速为额定值不变，改变的是输出前的直流电压值。
图12给出了结果，纵轴上以IPM结构Ld<Lq的发动机额定值作为100%。从结果中看到：Ld<Lq IPM结构的发电机，其整流输出比Ld=Lq SPM结构发电机的输出功率大；与Ld>Lq带励磁线卷的凸极结构发电机比较，输出功率能更大幅度的提高。
7 2KW的无CC方式
7.1 藉电磁场分析软件进行分析
为了降低无CC方式的制作造价，利用了东洋电机公司的通用永磁电动机生产设备，图13为该永磁电动机结构图。
这台电动机是将永磁体插入转子内部的6极电动机，具有Ld<Lq关系的内部永磁式结构(IPM)，如上所述，作为整流输出用发电机是合适的。要将这台电动机按2线卷的2KW无CC方式进行改造。还要掌握2KW风轮的性能。适当选择齿输传动比和作为负荷的直流电源电压值，为从风轮获取最大的输出功率，又进行了与3.5节同样的电磁场分析。
图14所示为2KW无CC方式的特性分析结果。图中的横轴为发电机转速，纵轴分别表示风轮最大功率，无CC方式的输出功率，以及线卷W1的输出和W2的输出（W2未接电抗器时的一部分），电抗器1和2均不饱和。从图14(a)可见，在发电机转速360rpm及600rpm附近，无CC方式的输出功率与理想的三次曲线差值大；而且，W2线卷的输出（未接电抗器时）比风轮功率还大。这样，电抗器2未采用饱和电抗器时，形成了与图5无CC输出特性对应的功率特性。因而，藉接入图6所示特性的饱和电抗器而得到改善，并对此进行分析。其结果与上述无CC方式验证装置的有所不同。将饱和电抗器接入W1线卷比接入W2线卷，更接近三次方的输出功率特性。
图14(b)所示为将饱和电抗器接入W1线卷后的分析结果。W1线卷，开始发电的转速在330rpm附近（无饱和电抗器时为360rpm）变化；W2线卷接入非饱和电抗器，发电机转速在330rpm和600rpm附近；对比图14(a)，无CC方式的输出功率与理想立方曲线的差值减小。
图15所示为无CC方式发电机的各线卷输出电流的分析结果。从图看到无CC工作时也即电流同时流通（2线卷）场合下，比单个流通（“only”）场合下电流减小，这一现象是发电机内部电感和电抗器，使各线卷的电流成为滞后电流，滞后电流的无功部分导致定子交链磁通的减小，相互影响。这也是各线卷的感应电压减小的原因，由于该劣化功率因数的电流，在新设计时应增大无CC发电机的定子槽部面积，以便扩大线卷断面积，减小铜损，导致发电机将增加20%的重量。
7.2 2KW无CC的试制
基于上述分析结果，试制了2kW的无CC发电机，其规格为：680rpm，输入功率2kW，起动转矩1.1N-m，作为负荷的电源电压48V，发电机为3φ、6P、36槽，铁心外径φ175，采用了钕铁硼（NdFeB）永磁体。直流输出盘仅由电抗器、断路器及整流器的无源元件构成。
利用与图8相同的试验电路，测定的2kW无CC的输入、输出特性示于图16，横轴为发电机转速，纵轴为输入/输出功率，效率以及供参考的风轮最大输出曲线，可以确认：无CC发电机的输入功率近似于风轮的最大输出功率。
图16的实验结果“输出功率”与图14(b)分析结果的“输出功率”基本一致。相对于发电机的输入，无CC的直流输出效率大约在80%以上。
按图4主回路结构的发电机线卷W1的电流IW1和线卷W2的电流IW2，以及这些电流整流，并联后的直流输出电流Ib，各个电流的波形示于图17。发电机的转速应在图16的450rmp附近。图17的电流IW1和IW2是装在发电机定子同一槽内的线卷电流波形，因为电抗器2的电感大，IW2比IW1有较大的滞后， IW2的功率因数较差，从而，必须增大线卷W2的断面积。
8 改变风轮与无CC发电装置的整合状态
与无CC连接的作为负荷的直流电源，改变其电压值，或者改变风轮与发电机的齿轮传动比，能大幅度改变无CC发电装置与风轮的整合性。
图18为说明风轮输出功率与无CC发电装置输入功率的整合性图形。(a)表示发电机的输入功率；(b)为发电机的转矩。图18(a)和(b)中各自的“A”点或“B”点，表示同一工况例如风速10m/s下，取得整合时是在A点运行，达到风速10m/s下的风轮最大输出功率（“Matching”）。按照整合状态，仅将直流电压值定为设计值(Vdc)的1.5倍左右，使工作点向右移至“B”点运行，输出功率比风速10m/s的最大功率减少约20%（“output decrease”）。相反，将直流电压值只定为1/2左右，工作点则左移，风轮处于失速状态，不能取得无加速的输出功率（“stall”）。
此外，按整合状态，只增加传动比，工作点向失速方向移动；只减小传动比，则输出功率向减小方向移动。
带分接头的电抗器，藉改变分接头而使发电机输入功率有微小变化，其试验结果示于图19。目的旨在能与风轮特性进行微妙的整合。
如果把这些结果翻过来，把作为负荷的直流电源电压值、齿轮传动比、以及电抗器的分接头改变，综合地进行合理设计，即使对特性不同的各种风轮，同一无CC方式的发电机装置都是能适用的。
9 结束语
着眼于风轮与发电机的合理匹配（整合性），为获取风轮最大输出功率，对与风轮整合性好的无CC方式发电装置（简称无CC）进行了研究。
研究用的发电机是将其它用途的电动机线卷改造而成的。分析研究发电机与电抗器的组合，试制成无CC的发电装置，并进行了试验。同时，致力于研究提高无CC输出特性及其应用的方法，取得了以下各项成果：(1)研究与风轮特性合理匹配的无CC，由现场试验结果确认，整合性好的无CC能获得风轮的最大输出。(2)通过齿轮传动比及直流电压值的适当选取，无CC能适用各种不同的立轴风轮。(3)了解适合整流方式的永磁发电机结构后，试制了2KW的无CC，发电机起动转矩为1.1Nm，考虑到与起动转矩小的风轮组合时，一定要用齿轮来增速。故应将发电机设计成多磁极的。(4)配用无CC的发电机，因滞后电流流过多个线卷，发电机重量增加20%左右。但与直叶型立轴风轮连接，发电机设置在风叶下部，重量的增大不存在什么问题。
由于不需要变频器，降低了初期成本；从年发电量的增加显示了无CC与风能的整合性好。今后还要不断进行这些定量的研究。而且，要考虑到能适用于水平轴的风轮，并通过实验，验证其有效性。
作为无CC存在的问题，是因整流时的滞后电流成分，减小了与定子线卷交链的磁通。为避免磁通减小，应力图使发电机小型化，或由超前电流分量来增加磁通。今后，将积极开发起动转矩小的无CC的小型发电机。

参考文献
[1] 盐田 刚，井坂 勉，佐野 孝，関 和市，直線翼垂直軸型風車と新型風力發電裝置の整合性に関する研究，（日）電學論B.vol.128  11號，2008年
[2] マィクロ風力發電のための極數變換型發電機の基礎的檢討  雪田 和人、後籘 泰之、一柳 勝宏等 IEEJ.vol.128.No1(2008)

作者简介
楚金甫  1957年生、男、河南森源电气股份有限公司董事长，高级工程师，硕士，研究方向为风力发电与电力系统。
邓隐北  1937年生、男、河南森源电气股份有限公司技术顾问，研究员，研究方向为永磁电机。
魏国安  1973年生、男、河南森源电气股份有限公司风电部经理，工程师，研究方向为风力发电。
张振兴  1986年生、男、河南森源电气股份有限公司工程师，研究方向为风力发电安装调试。