（控制理论与控制工程专业论文）基于开关磁阻电机的风力发电系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着世界能源问题和环境问题的日益突出，作为一种清洁的可再生能源，风 能越来越受到人们的重视。风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。 本文主要围绕开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s r m ) 在风 力发电领域中的应用，展开了较为全面的从理论到实践的研究和探索 首先，论文对当前风力发电技术的发展现状和前景进行了总结。提出丌关磁 阻电机适用于风力发电的优势，明确了研究开关磁阻电机风力发电系统的意义。 其次，论文对开关磁阻发电机主电路结构和其工作原理进行了介绍，然后对 电机电感与转子位置角关系、发电机能量转换、绕组电流进行分析，并在这些分 析的基础上介绍了丌关磁阻发电机的两种控制方法：角度位置控制( a p c ) 、电流斩 波控制( c c c ) ，并比较两种控制方法的特点和适用范围。 随后，论文阐述了用于风力发电的丌关磁阻发电机控制器实验系统的硬件组 成，对主要功能模块的工作原理进行详细说明。在介绍系统硬件之后，对传统的 前后台软件和开发嵌入式操作系统进行比较，并得出结论。将嵌入式实时操作系 统g c o s i i 引入到丌关磁阻电机控制系统中，在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 上进行了移 植，给出了g c o s i i 平台下应用程序的设计和主要程序的流程图。 在上述基础上，对整个系统进行实验。所获得的实验数据一方面验证了系统 软、硬件设计的有效性，实时操作系统j u c o s i i 在开关磁阻电机中的应用的可 行性。另一方面通过对实验数据的分析研究，初步掌握开关磁阻发电机实际的运 行状态，为今后进一步研究打下了基础。 关键词：开关磁阻电机，风力发电，d s p ，u c o s i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ee n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e mb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s ，m a n y c o u n t r i e sh a sp a i dm o r ea t t e n t i o no nw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e md u et oi t sg r e e n a n dr e p r o d u c t i o n t h et e c h n o l o g yo fw i n dp o w e rg e n e r a t i n gh a sb e c o m et h er e s e a r c h f o c u sf o rs p e c i a l i s t sa n ds c h o l a r si nm a n yc o u n t r i e s t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h ea p p l i c a t i o no fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ri n t h ef i e l do fw i n dg e n e r a t i o n ，a n dh a sd o w na l l r o u n ds t u d yf r o mt h e o r yt op r a c t i c e f i r s t l y ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ea c t u a l i t ya n d t h el b r e g r o u n do fw i n dp o w e r g e n e r a t i n gt e c h n o l o g ya n dp r e s e n t e ds e v e r a la d v a n t a g e so fs w i t c h e dr e l u c t a n c e g e n e r a t o ru s e d i nw i n dg e n e r a t i o n t h es i g n i f i c a n c eo fs t u d ya b o u ts w i t c h e d r e l u c t a n c ew i n dp o w e rg e n e r a t i n gs y s t e mw a sg i v e ni nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fs w i t c h e dr e l u c t a n c e g e n e r a t o ra n dt h es t r u c t u r eo f i t sc i r c u i t t h e nt h et h e s i sa n a l y s e st h er e l a t i o nb e t w e e n i n d u c t a n c ea n dr o t o rp o s i t i o na n g l e ，e n e r g yc o n v e r s i o ni ns w i t c h e dr e l u c t a n c e g e n e r a t o ra n dt h ep h a s ec u r r e n t a f t e rt h e s ea n a l y z e ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st w oc o n t r o l m e t h o d s ：t h ea n g l ep o s i t i o nc o n t r o l 、t h ec u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o l ，a n dc o m p a r e s c h a r a c t e ra n da p p l i c a t i o na r e aa b o u tt h e m t h i r d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ec i r c u i to fs w i t c h e dr e l u c t a n c ew i n d p o w e rg e n e r a t i n gs y s t e ma n dd e t a i l e do p e r a t i n gp r i n c i p l eo fm a i nf u n c t i o n c o m p a r e dt r a d i t i o n a lp r e b a c k g r o u n ds o f t w a r ew i t he m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s o f t w a r ea n dr e a c h e dac o n c l u s i o n e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mw a s i n t r o d u c e di n t ot h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rc o n t r o ls y s t e m ，t r a n s p l a n t e dt ot h e t m s 3 2 0 f 2 812 d s p t h ep a p e rg i v e st h ec o n t r o l l e rs o f t w a r eb a s e do nt h eu c o s i i s y s t e ma n dt h ef l o wp r o c e s sc h a r to ft h i ss y s t e m ， f i n a l l y ，a ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tf o rt h ew h o l es y s t e m o no n eh a n dt h e e x p e r i m e n t a ld a t ap r o v e dt h ev a l i d a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e s y s t e m ，o nt h eo t h e rh a n d ，b yt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a , w e h a v eac l e a rv i e w o fs w i t c hr e l u c t a n c eg e n e r a t o ra c t u a lc o n d i t i o n ，a n df o r mt h ef o u n d a t i o n o rf u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，w i n dp o w e rg e n e r a t i n g ，d s p ，u c o s i i u 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密一。 学位论文作者签名：旧传毕 导师签名： 态乞篓 签字日期：z p 铲6 月7 同签字日期：。罗年占月7 f t 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：田 专帮 日期：7 年6 月c f t 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，基于一次能源的日益枯竭和环境保护的考虑，世界各 国都把开发可再生能源作为能源发展方向。风是一种永不枯竭的能源，地球上的 风能大大超过水流的能量，也大于固体燃料和液体燃料能量的总和。风能的利用 不但简单，而且机动灵活，因此有着广阔的发展前景。有人估计过，地球上可用 来发电的风力资源约有2 0 0 亿k w ，几乎是现在全世界水力发电装机容量的1 0 倍， 因此，国内外都很重视利用风力来发电。 1 1国内外风力发电现状 自世界上第一台用于发电的风力机于1 8 9 1 年在月麦建成，一个世纪以来， 世界各国研制了类型各异的风力发电设备，风力发电的重要意义不断受到困际社 会的普遍关注与高度重视，对风力发电的学术研究和推广普及工作取得了相当突 出的进展。造成这种现象的本质原因主要在于： ( 1 ) 能源问题已成为当今世界瞩目的焦点：煤、石油、天然气等常规能源的短 缺危机己愈演愈烈，为此必须尽早设法开发新能源。 ( 2 ) 建造风力发电场所需的费用，远比建造水电站、火电厂或核电站的投入 要低得多。 ( 3 ) 风力发电的运行、维护成本均很低廉，不需任何燃料即可产生电力，属 于一种易于实现、便于操作的供能方式。 ( 4 ) 风能是一种洁净的自然能源，采用风力发电，不存在其他发电方式所伴 生的温室气体排放和环境污染问题，制约和影响因素较少。 全球风能委员会( g w e c ) 最新发布的报告指出n 1 ：2 0 0 6 年美国新装风机总发电 功率领先世界，为2 4 5 4 万k w ；位列第二的德国为2 2 3 3 万k w ；位列第三的印 度为1 8 4 万k w 。毋庸置疑，风能这一可再生能源越来越受到具备丌发条件国家 的追捧。有关数据显示，目前除了世界风电装机容量前5 位的国家( 依次为德国、 西班牙、美国、印度、丹麦) ，其他一些困家如意大利、中国、印度、英国、荷 兰、日本和葡萄牙等国的风电装机容量都突破了1 0 0 万k w 。 我国2 0 世纪5 0 年代中期开始研制风力发电装置，6 0 年代丌始小批量生产， 江苏大学硕士学位论文 7 0 年代术，我国j x l 力发电进人了一个新的发展阶段，主要是小型风能发电机。 1 9 8 2 年5 月我国- f 式成立了全国性的j - x t 能专业委员会。1 9 8 5 年我国成立了“全 国风力机械标准化技术委员会”。9 0 年代，我国从小型风力发电机组( 国际规定 l o k w 以下的机组为小型) 的广泛应用走向大型风力发电机组的引进、开发、创新 之路。 目前我国小型风力发电机的研究、制造己积累了相当丰富的经验，技术上己 日趋成熟，形成了我幽的系列型谱、并有部份出1 ：1 。2 0 0 6 年1 月1 日国家颁布 可再生能源法，倡导鼓励一些企业投资风电市场。我国1 9 9 3 年风电总装机容 量仅1 7 1 万k w ，1 9 9 8 年增至2 2 6 万k w ，2 0 0 1 年达到3 4 5 万k w ，2 0 0 6 年底发 展到2 6 0 万千瓦。可见今后几年风力发电机在我国的市场需求将不断增长。 1 2 风力发电技术现状 1 2 1 风力发电基本理论 风力机通过桨叶把风能转化成机械能，提供转矩以驱动机械负载。按照贝 兹原理乜。1 ，风力机从风中捕获的机械功率为： p = o 5 巴a p v 3 ( 卜1 ) 式中q 风力机风能利用系数，它是叶尖速比五和桨叶节距角a 的函数，a 为风力 机扫掠面积，p 为空气密度，y 为风速。其中五= r c o l v ，0 3 为风力机机械角速 度，r 为风轮半径，v 为风速。 在口一定的时候，风力机c 。一t , 曲线如图1 1 所示。可以看出，对于一台确 定的风力机，在口不变时总有一个对应有着最佳风能系数c 。的最佳叶尖速比 ，此时的风力机的转换效率最高。换言之，对于一个特定的风速，风力机只 有运行在一个特定的转速才会有最高的风能转换效率。图1 2 是在一组不同 风速( u 屹 v 3 ) 下风力机的输出功率特性，曲线是各风速下虽大输出功率 点的连线，即最佳功率曲线。风力机运行在曲线上将会输出最大功率品。， 其值为： k = k c 3 ( 卜2 ) 2 江苏大学硕士学位论文 式中j = o 5 c 。p 彳( 尺旯) 3 因此，为了得到乞，必须在风速变化时及时调整c l ，以保持风力发电机运 行在最佳叶尖速比下。 p 图1 1 风力机c p a 曲线 图1 2 风力机的功率特性 在风力发电机与电网并联运行时，要求风电的频率与电网保持一致，即频率 保持恒定。因此结合上面的分析我们可以将风力发电系统分为两大类：一类是控 制发电机转速不变，从而得到电能频率恒定的恒频恒速发电技术；另一类是指发 电机的转速随风速变化，通过其他方法来得到频率恒定电能的变速恒频发电技 术。下面将对这两种技术进行详细的说明。 1 2 2 恒频恒速发电技术 恒速恒频是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变，从而得到和电网频 率一致的恒频电能，目前世界上较为流行的恒速恒频发电技术主要有三种n 钉， 即：恒速恒频是指风轮机转速恒定、发电频率恒定的发电状态。 ( 1 ) 定桨距失速调节型风力发电技术 定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时， 桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当 风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，风 能利用效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效 率，通常采用双速发电机( 即大d , 发电机) 。在低风速段运行时，采用小电机使 桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。 失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当j x l 速变化引起的输出功率的变化 只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其 3 江苏大学硕士学位论文 缺点是叶片重量大( 与变桨距风机叶片比较) ，桨叶、轮毅、塔架等部件受力较大， 机组的整体效率较低。 ( 2 ) 变桨距调节型风力发电技术 变桨距是指安装在轮毅上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法 为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到4 5 0 ，当转速达到 一定时，再调节到0 0 直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输 出功率小于额定功率时，桨距角保持为0 0 位置不变，不作任何调节：当发电机输 出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使 发电机的输出功率保持在额定功率。 随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发 电机组采用了最优尖速比技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽 量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。 变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速 的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收j x l 能转化为电能，同时在高风 速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。 ( 3 ) 主动失速调节型风力发电技术 主动失速调节型风力发电技术将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风 力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性， 调节系统采用变桨距调节。在低风速时，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置， 桨距角调整优化机组功率的输出：当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节 距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随 着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时，调节桨叶相当 于气动刹车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。主动失速调节型的 优点是具备了定桨距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机组 的运行效率，减弱了机械刹车对传动系统的冲击，控制较为容易，输出功率较平 稳。 1 2 3 变速恒频发电技术 恒频恒速发电系统为目前应用比较多的风力发电系统，其弊端是当风速跃升 时，风能将在主轴、齿轮箱、发电机等部件上面产生很大的机械应力，如果该过 4 江苏大学硕士学位论文 程频繁出现将会引起这些部件的损坏。并且恒频恒速系统的风机转速不能随风速 的变化而变化，无法达到最优的风能利用系数。 相比较变速恒频发电技术可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下 实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率， 优化了风力机的运行条件。 变速恒频风电系统的类型很多，大致可以分为两类：一类是以电力电子器件 构成变频装置，并通过适当的控制来得到恒频的电能：另一种则通过改变发电机 本身结构来实现变速恒频。 由于电机转速随风速不断变化，并且需要并入电网，为保持风电频率与电网 频率一致，采用一套电力电子设备将发电机发出的电能控制为恒频。变速恒频风 电系统中的电力电子学界面一般包括下面三部分： ( 1 ) 发电机侧整流器：由自关断器件( 如g t r 、i g b t 、g t o ) 构成的a c d c 整流 装置，将发电机发出的交流电转换为直流电。 ( 2 ) 中间直流坏节：由电力电子器件或蓄电池组成，保持电压恒定。负荷不足 时向蓄电池充电，在无风或风力过小时可以继续向电网供电。 ( 3 ) 电网侧逆变器：由自关断器件构成的d c a c 逆变装置，采用某种控制方法 将直流电转换为与电网同频、同相的三相j 下弦交流电。 上述的变频环节采用的是交一直一交系统，在应用中，也有采用交一交系统的， 但由于交一交变频技术仍不成熟，并且没有电能的存储能力，所以只在一些特殊 的情况下使用。 采用变速恒频方式除了可以最大化的利用风能以外，其他优点是也非常突出 的： ( 1 ) 风力机可以最人限度的捕扶风能，因而发电量较恒速恒频风力发电机 大； ( 2 ) 较宽的转速运行范围，以适应因风速变化引起的风力机转速的变化； ( 3 ) 采用一定的控制策略可以灵活调节系统的有、无功功率； ( 4 ) 可抑制谐波，减少损耗，提高效率。 由此可以看出，采用变速恒频技术是风力发电未来的发展方向。目前国际上 有多种方案哺。1 实现变速恒频风力发电，如交一直一交发电系统、磁场调制发电机 江苏大学硕士学位论文 系统、爪极式发电机系统、无刷双馈发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、开 关磁阻发电机系统等，这些系统都有自己的特点，可以适用于各种不同的场合。 下血对这些系统分别进行简单的介绍。 ( 1 ) 交一直一交发电系统 发电机发出频率变化的交流电首先通过整流器整流成直流电再通过逆变器 变换为频率恒定的交流电输入电网。在此系统中可以采用的发电机有绕线式同步 发电机、鼠笼型感应发电机、永磁同步发电机。 这种系统的优点是在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响：可调节无 功功率。但足有高频电流谐波注入电网。 ( 2 ) 磁场调制发电机系统 这种系统由一台高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成，如图1 3 所示为磁场调制发电机单相输出系统的原理方框图。 图1 3 磁场调制式风力发电系统 发电机本身具有较高的旋转频率f r ，用频率f m 的低频交流电励磁( f m 即为所 要求的输出频率，一般为5 0 h z ) ，当频率f m 远低于频率f r 时，发电机三个相绕组 的输出电压波形将是由频率为( f r + f m ) 和( f r f m ) 的两个分量组成的调幅波，这个 调幅波的包络线的频率是c ，包络线所包含的高频波的频率是f m 。将三相绕组接 到一组并联桥式整流器，得到基本频率为f m ( 带有频率为6 f r 的若干纹波) 的全 波整流正弦脉动波。再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向。最后 经滤波器滤去纹波，即可得到与发电机转速无关、频率为f m 的恒频正弦波输出 波形。输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，正是这一特点使得 磁场调制发电机非常适合于并网风力发巾系统。 6 江苏大学硕士学位论文 磁场调制发电机系统的优点是经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，晶闸管 是在波形过零点时开关换向，换向简单容易，系统效率较高。输出波形中谐波分 量小而且频率高，容易滤去，可以得到很好的正弦波形。磁场调制发电机系统的 输出频率与励磁电流频率相同，与电网并联运行十分简单可靠。但是所需要的电 力电子变换装置的容量较大。这种发电机系统适用于中小型风力发电系统，对其 研究较少。 ( 3 ) 爪极式发电机系统 爪极式自励发电机，定子铁心及电枢绕组与同步电机相同，区别仅在于它的 励磁系统部分。爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构，所有各对极的磁势 均来自一套共同的励磁绕组。通过交一交变频器把爪极发电机发出的高频交流电 转变为工频交流电来实现变速恒频控制。 爪极式自励发电机与一般同步发电机相比励磁绕组所用的材料较省，所需的 励磁功率也较小，具有较高的效率。电机为无刷结构，易维护。通过调节励磁可 以很方便地控制它的输出特性，使风力机实现最佳叶尖速比运行。但这种发电系 统的缺点是交一交变频控制电路复杂。这种发电机适合用于中功率级的风力发电 装置。 ( 4 ) 无刷双馈发电机系统 系统如图1 4 所示，采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子有两套极数不 同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网：另一个成为控制绕组，通过双向变 频器接电网。转子为笼型结构，无需电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组 极对数之和。 这种无刷舣馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励 磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着 本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。对于无刷双馈发 电机，有 + f o = ( 砟+ 致) 厶 ( 卜3 ) 式中，六一功率绕组电流频率同电网频率； z 一控制绕组电流频率； 7 江苏大学硕士学位论文 p p 一功率绕组极对数； 见一控制绕组极对数。 电网 图1 4 刷双馈发电机系统 超同步时，正- - - l = ( p p 十见) 厶取“+ ”；亚同步时，取“一 。当发电机的 转速n 变化时，即厶变化时，若控制z 相应变化，可使厶保持恒定不变，即与 电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。 尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功 率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组 功率的以( p p + 见) ，因此图1 4 中所示的双向变频器的容量也仅为发电机容量 的一小部分。 这种风力发电系统与下面介绍的绕线式双馈发电系统有同样的优点，而且实 现了无刷结构，易维护。缺点是定子侧设计复杂。 ( 5 ) 交流励磁双馈发电机系统 双馈调速系统通过其电机转子绕组和功率变换器相连接，通过变换器的功率 仅仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到电机轴或者电网，是各种传动系统 中效率比较高的。这种系统转子侧只处理转差能量，降低了逆变器的价格，因为 逆变器的额定值通常为最大功率输出的3 3 ，而发电机转速可以扩展到同步速的 5 0 左右。 滤波器大概需要2 5 的额定容量，双馈电机的变换器的谐波含量只占整个系 8 江苏大学硕士学位论文 统的一小部分。无功控制可以用低成本的变换器实现，因为双馈电机本质上是同 图1 5 绕线式双馈异步发电机系统结构 步电机，所以可以调节双馈电机吸收的无功功率。但是由于双馈异步电机转子带 有电刷和滑坏，需要经常维护，这在一定程度上降低了系统的可靠性。 ( 6 ) 开关磁阻风力发电系统 开关磁阻式风力发电系统采用开关磁阻发电机。开关磁阻发电机为双凸极电 机。定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无 永磁体。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，与集中嵌放的定子电枢合二为一。 定子接驱动器将电能输出到直流侧，然后通过网侧逆变器将能量馈入电网。丌关 磁阻电机能量密度大，结构简单，可靠性高没有去磁效应。系统在并网时没有电 流冲击，对系统几乎没有影响：可调节无功功率。本文将重点研究开关磁阻风力 发电系统。 1 3开关磁阻电机作为风力发电机的特点 设计风力发电系统一般需要着重考虑以下几个问题n 5 。1 8 1 ： ( 1 ) 高质量的将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定 的直流电。 ( 2 ) 高效率的实现上述两种能量转换，以降低每度电的成本。 ( 3 ) 稳定可靠的同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行， 为用户提供稳定的电能。 普通的发电机如：异步发电机、感应发电机、永磁发电机要输出固定电压， 其转速也须固定，然而风速是时刻变化的，所以风轮机的转速必须固定不变( 即 恒速恒频发电系统) ，导致风能利用效率低下n 2 14 j 。显然，如果使用变速发电机 就能提高风能利用效率( 即变速恒频发电系统) ，而开关磁阻发电机正满足了这样 9 江苏大学硕士学位论文 的要求。 据此衡量开关磁阻发电机，可以发现开关磁阻发电机用于风力发电的如下优 势1 9 。2 2 1 ： ( 1 ) 开关磁阻发电机可以方便的发出电压恒定的直流电，尤其对于它励方式， 输出电压直接由励磁电压决定，而与转速无关。在自励方式下，也可以通过自身 的控制器实现电压恒定。 ( 2 ) 开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体，因此成 本低廉：不存在铜耗，发电效率高；同时转子的转动惯量小，启动转距低，动态相 应好。并且该系统是自同步运行的，在低频时，不会出现那种变频供电的感应电 机在低频时出现的不稳定和振荡问题。因此即使在风速较低的情况下，通过合理 的设计，开关磁阻发电机也可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省 去了齿轮箱，系统结构更加轻便、可靠，这也正是风力发电系统的发展趋势。 ( 3 ) 开关磁阻发电机具有优良的调速性能，能够在宽广的速度范围内稳定运 行，因而可以适应不同风速的要求，更高效地利用风能。 ( 4 ) 开关磁阻发电机可控参数多，如开通角、关断角、直流斩波限、励磁电 压等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流。 ( 5 ) 若在直流输出的基础上采用逆变技术，则可以获得所需幅值和频率的交 流电，进而实现并网发电。亦可以单独或与其他发电装置或储能装置联合发电。 ( 6 ) 开关磁阻发电机具有自励能力，在自励模式下，只需小容量的直流起励 电源，就可以自动建立电压。若与蓄电池构成互补系统，更可以体现分时励磁和 发电的优势。在风力充足时，一方面，开关磁阻发电机从蓄电池获得励磁，另一 方面，又给负载供电，同时给蓄电池充电( 由于s r g 发出的电流脉动，有利于蓄 电池的充电) ，将剩余的电能转换成化学能储存起来。当风力不足时，蓄电池的 储能将释放出来，供负载使用。 ( 7 ) 开关磁阻发电机各相在物理和电磁上相互独立，即使缺相的情况下，仍 可维持工作，具有很强的容错能力。其功率变换器的开关器件与绕组相串连，不 存在交流变频器中常出现的击穿事故故障，因而更加可靠。此外，开关磁阻发 电机结构坚固、耐高温性能好，十分适合风力发电的野外作业环境。 综上所述，开关磁阻发电机在风力发电领域具有很大的发展潜力和研究价 1 0 江苏大学硕士学位论文 值。 1 4 课题的研究内容与研究重点 本课题的研究目的是结合现有的实验条件，在原有开关磁阻电动机控制系统 的基础上，对软件和硬件进行相应的修改和补充，实现电机的发电运行，并进行 相关的发电实验，以所得到的实验数据为不同条件下运行的开关磁阻发电机制相 应的控制策略，为今后的进一步研究打下基础。课题主要的研究重点有以下几个 方面： 1 、搭建丌关磁阻电机控制系统发电系统实验台。 2 、分析开关磁阻发电机发电运行的机理，研究其在低速运行条件下的控制 方法及发电运行时的特性。 3 、研究风力发电系统的控制方法，并结合实验数据制定本开关磁阻电机风 力发电系统的控制策略。 4 、分析了实时操作系统l jc o s - i i 移植到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片上所要完成 的工作，并在uc o s - i i 操作系统平台上编制了开关磁阻电机风力发电系统的控 制程序。 5 、为进一步研究开关磁阻电机的风力发电运行，结合实验结果对实验系统 的软硬件提出相应的改进方案。 江苏大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机的基本理论 2 1 开关磁阻电机的基本结构与运行原理 开关磁阻电机( s r 电机) 属于双凸极可变磁阻电机，其定、转子的凸极均 由普通硅钢片叠压而成，转予既无绕组也无永磁体，定子极i 绕有集中绕组，径 向相对的两个绕组串连构成一个两级磁极，称为“一相”。s r 电机可以设计成很 多种相数结构，且定转了的极数有不同的搭配。本文采用的s r 电机为六相1 2 1 0 结构，其定子有1 2 个齿极，转子有l o 个齿极，每个定子极都绕有绕组，径向相 对的两个线圈串联构成一相绕组，可组成a 、b 、c 、d 、e 、f 六相。 u 8 图2 1 六相12 1 0 结构的s r 电机结构原理图 图2 1 表示该电机的横切面和一相电路的原理示意图，s i 、s 2 是电子开关， 控制相电流的接通与关断，d 1 、d 2 是续流二极管，u 。为励磁电压。定子和转子 呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，无绕组。 s r 电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁阻最小的路 径闭合，且具有一定形状的铁芯( 转子) 在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主 轴线与磁场的轴线重合，由磁场扭曲而产生的旋转力矩使得s r 电机运转起来。 如图2 1 所示，不同的通断电顺【序，电机的旋转方向是不一样的。当b 相绕组通 电时，转子将受到切向的磁拉力使得转子逆时针转动，在b 相定子齿和转子齿 对齐的时候关断，同时使c 棚通电，以此依次给c d e f a b 通电，电 机则沿逆时针方向转动起来。相反若依次给f a b c d e 通电，则电机 会顺时针方向旋转。由此可见：( 1 ) s r 电机的转动方向与相绕组的电流方向无关， 1 2 江苏大学硕士学位论文 仅取决于相绕组通电的顺序；( 2 ) 需要位置检测装置以确定定子每相绕组何时需 要通电或断电；( 3 ) 转子的转速由连续开关定子绕组的频率所决定。 2 2 s r 电机的基本方程式 开关磁阻电机与其它电磁式机电装置类似地都可以看成是一对电端口和一 对机械端口的二端口装置，如图2 2 。对m 相开关磁阻电动机，若不计磁滞、涡 无损耗磁场系统 厂习广 j 磊 _ i ， g i ，0 ) o b ，0 ) 、，l o m ，口) 图2 2m 相开关磁阻电动机系统示意图 流和相间的互感，则整个机电系统动态过程的微分方程可由电动势平衡方程、机 械方程和机电联系方程三部分组成乜3 。 ( 1 ) 电动势平衡方程 假设m 相丌关磁阻电机各相结构和电磁参数对称，则根据电路基本定理可 得开关磁阻电机第k ( k = 1 ，“，m ) 相的电压平衡方程式为： = r + 警 ( 2 _ 1 ) 电机各相绕组的磁链虮为关于该相绕组电流t 和转子位置角。的函数，即： = ( ，矽) ( 2 2 ) 由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在开 关磁阻电机的计算中一般忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转子轭 部饱和在各相之间产生的相互影响，可以得到用电感和电流的乘积表示的磁链方 程： = ( ：o k ) = 厶( o k ，) ( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 代入( 2 1 ) ，即可以得到 u = r a + 等，鲁+ 等警2r t + ( 厶+ 。o 巩l d ) d 讲i , 一+ ，嘉鲁 c z 卅 式( 2 4 ) 表明，电源电压与电路中的三部分电压降相平衡。等式右边第一项是 江苏大学硕士学位论文 第k 相回路中的电阻压降，第二项是由电流变化引起磁链变化所感应的电动势， 叫做变压器电动势，第三项是由转子位置改变引起磁链变化所感应的电动势，叫 做旋转电动势，它与电磁机械能量转换直接有关。 ( 2 ) 机械方程 按照力学定律可列出电机电磁转矩t c 和负载转矩t l 作用下的转子机械运动 方程： r o = j 警+ 。警+ 瓦 s ， 其中j 为传动系统转动惯量，d 为粘滞系数。 ( 3 ) 机电联系方程 忽略各相绕组之间的互感，可以从一相来考虑开关磁阻电动机的电磁转矩。 一相绕组的v i 轨迹如图2 3 所示。轨迹介于两条极限磁化曲线内，两条曲线分 别对应于定、转子凸极中心线重合的最小磁阻位置0m i 。和定子凸极中心与转子 凹槽中心线重合的最大磁阻位置0 。锻。图中c 为换相点，在该点处主开关器件 关断，绕组电流由上升转而开始下降。运行点所对应转子位置处的磁化曲线以左 的区域面积对应该点磁储能w 大小( 点状阴影区即为换相点处的绕组磁储能) ， 而其下方的区域面积对应该点磁共能w 大小，嘶轨迹包围的横线阴影区域即 为每相在一周期内输出的总机械能w 。 宙 、- 氧 i ( a ) 图2 3 开关磁阻电机一相绕组的i 轨迹 在任一运行点c 【处的k 相绕组的瞬时转矩可根据虚位移原理求得： 瓦= 等o ( 2 - s ) 江苏大学硕士学位论文 其中，磁共能以= p 。( 伊，i 。) 以，o w 即为耦合磁场在转子位移增量么。内的 0 磁共能增量。代入式( 2 - 6 ) ，得 瓦= 瞥识 因此相数为m 的开关磁阻电机总的瞬时转矩为： 乃= 羔k = l 未弘0 ( 六五) 晓 综上可得开关磁阻电机的基本方程： 电动势平衡方程： 机械方程： 机电联系方程： u t 瑚也+ 鲁啼斋警 阻9 ， 2 3 开关磁阻电机的数学模型 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 开关磁阻电机磁路饱和，具有强非线性，因此很难建立准确的开关磁阻电机 数学模型。在一定假设条件下，得到开关磁阻电机的理想线性数学模型瞳4 | 。利用 线性模型，可以对丌关磁阻电机的一些特性进行分析。 2 3 1 开关磁阻电机的线性模型 在实际的开关磁阻电机中，随着相电流的增加，通常会出现明显的磁饱和现 象，相电感不仅与位置有关，还与相电流有关，开关磁阻电机的实际绕组电感曲 线如图2 4 所示妇5 2 引。开关磁阻电机中磁饱和的影响可由其磁化曲线看出。图 2 5 给出了一簇典型的丌关磁阻电机磁化曲线心5 1 ，可见每条曲线上磁链和电流之 间均是非线性关系，且非线性的程度不一样：磁场非线性在定转子完全对齐位置 附近尤其明显，在定转子完全不对齐的位置不很明显。 由此可见丌关磁阻电机的电磁特性实际上是由磁链一电流一角度位置 ( q i 0 ) 之间的非线性关系来表征的，可以通过实际测量和有限元方法获得三者 函数关系，但过程往往比较复杂。 瓦 塑衍 妒 d 印 秒 ，一9 塑舻 旦御 。心 = = 瓦 瓦 江苏大学硕士学位论文 图2 4 开关磁阻电机实际绕组电感曲线 图2 5 开关磁阻电机实际饱和磁化曲线 由于开关磁阻电机磁路高度饱和非线性带来电机性能分析上的i i j 难。为便于 乙 _ j - r 后沿沿 - 1 _ j 。甜 z _ 鞴千 “口) 1 帅 血 一 图2 6 开关磁阻电机线性模型绕组电感曲线 图2 7 开关磁阻电机线性模型磁化曲线 分析，忽略磁路饱和，假定相绕组电感与电流大小无关，且不考虑磁场边缘扩散 效应，可得开关磁阻电机的线性模型幢4 ，”。线性模型的绕组电感曲线和磁化曲 线分别见图2 6 ，图2 7 。 由图可知线性模型下，开关磁阻电机相电感的分段线性表达式： 三( 口) = k j n k ( o 一包) + 三。 k 。 k 。一k ( o 一幺) o l 0 0 2 02003(2-12 ) 0 3 0 0 4 0 4 0 0 5 舯 k = 特。毕 2 3 2 开关磁阻电机的磁链特性 忽略绕组电阻压降，一相电压平衡方程( 2 - 4 ) 可改写为： u 。：坐：一d q 一d o ：坐缈， ( 2 13 ) 6 d td od td o 励磁时绕组两端电压为u 。，续流时绕组两端电压为一u 。，即 1 6 江苏大学硕士学位论文 = 坐婢 。d o = 芳哆 由( 2 3 ) 可得： 咖：堕d 口 缱 d ：一堡d 口 励磁阶段( o o 口) 续流阶段( 口2 6 0 一o o o ) 励磁阶段( o o 目) 续流阶段( 目2 一o o ) 代入功率变换器换相时刻的初始条件，求解( 2 一l s ) ，可得 l f ，( 口) = 鲁( 目一如) 0 警( 2 一巳一p ) o o 口2 万 脚e o 2 一o o 姚等 e 秽2 岔一气 ( 2 - 1 4 ) 式( 2 1 6 ) 即为一相绕组在一个电角度周期内的磁链表达式，根据该式可得 磁链p 随转子位置角0 的周期性变化曲线，如图2 8 所示。 图2 8 磁链随0 的变化曲线 2 3 3 开关磁阻电机的电流分析 一个电感周期内电流波形如图2 9 所示，0 1 0 2 内主开关器件开通，即 0 1 e 。 0 2 ：o r 0 3 内主开关器件关断，即0 2 0 。t r 0 3 。线性条件下，可推导出开关 磁阻电机的分段电流解析式( 2 一l7 ) ： ( 1 ) 8 0 只区域内，电流在最小电感恒值区域内是直线上升的。由于此 区域电感恒为最小值l 。i 。，且旋转电动式( i m r d l d 0 ) 为零，因此开关磁阻电机 的相电流可在浚区域内迅速建立。 1 7 江苏大学硕士学位论文 f ( 秒) = 岛d i ( o ) 岛 矽 l一 y i 0 铬n 8 0 f f吃 矽 图2 9 角度位置控制方式下电动运行典型相电流波形 u se 一o n lm i n 婉 u ( 目一0 一) 婶【三m i n + k ( 口一目2 ) 】 队( 2 秒一a m 一目) e o , lm i n + k ( o 一0 2 ) 】 u s ( 2 0 0 s 一9 n n 一9 、 ( j ) r tm a x u ( 2 0 0 s 一秒m 一日1 q 【m i n k ( o - 0 4 ) 】 q 0 0 2 0 2 0 9 0 3 ( 2 - 1 7 ) 岛0 幺 幺0 2 p ) 一9 。岛 ( 2 ) 0 2 0 区域内，电流变化率为 d i ( o ) ：u s l m i n + k ( o o - - 0 2 ) ( 2 - 18 ) d o q 【k 。+ k ( 9 一岛) 2 】 由上式可见 若0 0 0 ，电流将在0 2 之后的电感上升区上升。 ( 3 ) o o f f o ( 0 3 + o 。) 2 ，则续流将进入0 3 之后的最大电感区，甚至电感下降区。 ( 4 ) 岛0 0 4 区域内，电流变化率 1 8 江苏大学硕士学位论文 塑：一上l - c o n s t 0 ( 2 - 1 9 ) d o q l m 戤 可见，续流电流在最大电感恒值区内线性衰减。由于该区域内电感恒为最小 值l m 戤，旋转电动式( k o 矗l d o ) 为零，相电流不产生电磁转矩，只在一u 。作用 下持续衰减。 ( 5 ) 戗0