摘要：随着我国节能减排政策的推进，采用节能型的新兴材料代替高耗能的传统材料已成为未来电气设备设计制造的发展趋势。为了准确获得新型并网开关在分合闸过程中各个参量的变化规律，应用有限元仿真软件，建立开关机构的三维实体模型，并进行了动静态特性的计算与分析，得出了并网开关工作特性与截面宽度、铁芯高度等结构参数之间的关系，以及开关分合闸过程中触头运动速度、线圈电流、电磁吸力等参数的变化曲线。仿真结果表明，新型并网开关能够在无励磁电流的情况下保持吸合状态，较传统电磁式并网开关具有更好的节能效果。在理论设计与仿真分析的基础上，制作了新型并网开关样机。
关键词：风力发电；分布式；电源并网开关；设计
1研究背景、目的及意义
近年来，国民经济与科学技术进入飞速发展阶段，大型互联式电网的规模在不断地扩大。但单一形式供电系统的不足之出也逐渐显现，例如经济成本较高、环境污染较重、运行难度较大、易发生大面积停电事故、无法保证系统运行可靠性和安全性等一系列弊端不容忽视。为了弥补大规模集中发输电的不足，构建新型能源体系，分布式发电装置发展十分迅猛，且越来越受到各国学者的重视。分布式发电系统补充了大型电网的电力供应，并基于风能和太阳能等清洁可再生能源独立输出所需电能。该发电系统以模块化，分散化的方式布置在用户附近，发电能力为数千瓦至数十兆瓦。其优点是能有效避免上述弊端，维持重要用户在意外情况或电网解列等极端情况下的连续供电。分布式电源的常见类型包括风能发电，光伏发电和燃料电池发电，其中风力发电是最大规模的开发和商业化。根据现有的风机技术，只要风速达到 3m/s，即微风的程度，就可以发出电能。正因如此，分布式风力发电的发展速度位于各类分布式电源之首。由于风能存在较强的随机性，分布式风电系统发出的电能存在明显的间歇性，具有波动范围较大、无规律等特点。且风力发电系统常分布于我国西部和北部的高温、高寒、高海拔等偏远地区，用于该系统的并网开关常需承受较为恶劣的工作环境，因此在开关结构设计、安装方法等方面均与传统开关存在较大的差异。因此针对风电系统的特殊性，设计一种新型并网开关，对风电系统的发展具有十分重要的意义。
2并网开关的工作原理及结构设计
2.1设计思想
2.1.1 风电系统对并网开关低电压穿越的要求
风力发电系统中常存在电压波动，当风电系统的电压降低至（）e0.9~0.85 U 时，由于风电系统中的异步电机或永磁式发电机自身不具有良好励磁调节能力，大系统会因电压的降低启动低电压保护程序，使得风电机组发生跳闸。同时，风电机组的大量跳闸会降低线路充电功率，这样的后果是使电压又开始不断升高，应用于分布式风电系统的并网开关要求其具有低电压穿越功能。当风力发电系统出现波动或不正常运行时，会引起风力发电机并网点的电压降低的现象。此时，若风力发电机组能够保持良好连接状态不断开，或者还能够向风力发电系统额外提供一些无功功率，使得系统并网点的电压穿越过这一电压跌落时间，最终使系统电压恢复至正常状态，则称该风电机组具有低电压穿越功能。
2.1.2工作原理
采用基于纳米两相磁性材料的并网开关，在电压跌落时依靠纳米两相磁性的剩磁维持吸合状态，能够有效避免传统电磁式并网开关低电压不穿越的问题，在控制方面也更为简单。其主要工作过程如下：（1）在未通电阶段，纳米磁性材料对外显示软磁特性，不会吸合动铁芯，开关依靠弹簧反力维持分闸状态。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆（2）在闭合过程中，线圈通电后产生磁场，对基于纳米两相磁性材料的静铁芯进行充磁，充磁后产生的电磁吸力将并网开关的动铁芯向下吸引，当动静铁芯之间的电吸引力大于开关的弹簧反力时，并网开关的动铁芯带动动触头一起向下动作。运动至极限位置时，动静触头发生接触并合为一体，从而完成吸合动作。（3）在可靠吸合后，线圈断电，此时线圈不再作为磁场激励源，仅依靠纳米两相磁性材料的剩磁所产生的吸力维持并网开关的闭合状态。（4）在分断过程中，根据磁畴无序化的原理，对并网开关通入强度逐渐减弱的交流电进行去磁。动铁芯与静铁芯之间的电磁吸力随着磁通量的降低不断减小，动铁芯开始带着动触头向上运动，当动触头和动铁芯均处于打开状态，表明分断过程结束。
2.2动静铁芯尺寸及线圈相关参数的设计
为保证并网开关在吸合完成后能够依靠纳米两相复合磁性材料的剩磁可靠保持，应合理选取纳米两相复合磁性材料填充尺寸，并保证剩磁保持力必须大于反力系统的最大反力。若材料尺寸选取偏小，可能会发生开关吸合不牢靠，触头震动等情况，影响并网开关工作的可靠性。若选取偏大，可能会导致吸合过程动铁芯对电磁系统的冲击过大，造成触头磨损，进而影响并网开关的电寿命。因此，选取1.5倍的安全系数，计算得出由纳米两相磁性材料产生的电磁保持力为 211.41N。在这一前提下，设计时应尽量减小两相复合磁性材料的尺寸，以达到开关结构小型化，降低制造成本的目的。
3 并网开关电磁机构的动静态仿真分析及参数调节
为了快速求解原有微分方程的解，有限元法采用的研究过程是将待求解单一复杂的数学模型以多个数量有限的小单元的形式分别进行求解，这些小单元间既相互关联，又存在一定的独立性。计算时选择小单元适合的位置进行待求解函数的插值，完成之后将得到的各插值函数组成一个新的线性代数方程组，进而可以求得原问题的解。其分析流程可总结为如下几个步骤：（1）积分方程建立：以变分原理及权函数的正交化原理为基础，得出待求解数学模型的积分表达形式，原有微分方程的初边值问题可以用此积分方程近似替代；（2）区域单元剖分：按实际的情况来确定所要求解的物理特性及形状尺寸，并将所需要求解的域划分成形状相近大小相似、不重叠的单元；（3）单元基函数确定：小单元的基函数可以通过一定的插值条件来确定，在确定时应保证近似求解度和节点数量均符合计算要求；（4）单元有限元方程建立：小单元有限元方程主要是通过各个小单元求解函数的近似等效来确定的。具体过程是联立各个小单元的基函数并进行线性化处理，将处理后的线性表达式带入最开始得到积分方程中去，进行区域求解，从而得到待求解问题相应的有限元方程；（5）总装求解：对划分全部小单元的有限元方程组进行求解，求解方式可以一种也可以选择多种共同求解。求解得到的结果为近似结果，该值无限接近真实值。
结束语
本文针对风力发电系统对并网开关节能性与可靠性的要求，设计了基于风力发电的分布式电源并网开关，结合风力发电系统的特殊性，提出了一种基于纳米两相磁性材料的新型并网开关设计方案，样机的线圈电流与信号测量实验验证了新型并网开关设计方案的正确性与可行性。该方案可有效避免并网开关在电压波动时出现的低电压不穿越问题，简化了风力发电系统的控制方式，使系统运行的稳定性得到提高。与传统电磁式并网开关相比，新型并网开关能够在无励磁电流的情况下依靠材料剩磁维持吸合状态，且其剩磁保持力达到195.804N，满足1.5倍安全裕度，静态特性和动态特性均符合设计要求，具有良好的节能效果。
参考文献：
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[2] 刘纯，王跃峰，黄越辉．风电并网技术现状及发展趋势[J]．供用电，2013（4）：1-8．
[3] 李俊峰．风光无限：中国风电发展报告 2011[M]．北京：中国环境科学出版社，2011．
论文作者:张涛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
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