（电机与电器专业论文）开关磁阻风力发电机系统仿真及控制方案优化.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：a st h er e p r e s e n t a t i v eo fm o d e r ne l e c t r i c a l m a c h i n e s ，s w i t c h e d r e l u c t a n c em a c h i n e sc o m b i n et h ee l e c t r i c a lm a c h i n et h e o r i e sw i t ht h em o d e mp o w e r e l e c t r o n i c st e c h n i q u ea n dt h ea d v a n c e dm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lt e c h n i q u e , w h i c hn o t o n l yh a sl o w c o s ts t r o n gs t r u c t u r e , g o o df a u l t t o l e r a n ta n dh e a t - r e s i s t a n tc a p a b i l i t yb u t a l s oh a se x c e l l e n tc o n t r o l l a b i l i t y t h u s ，t h es w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n ea sm o t o ri s w i d e l yu s e di nd r i v e sa n ds p e e dr e g u l a t i o nf i e l d s i nt h e s et e ny e a r s ，m o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni sa l s op a i dt oi t s a p p l i c a t i o ni ng e n e r a t i o nf i e l d s ，w h i c hi n t e r e s t sm a n y s p e c i a l i s t sa n ds c h o l a r s t h es w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o r ( s r g ) a n di t sc o n t r o ls y s t e ma r er e s e a r c h e di n t h i sd i s s e r t a t i o n f r o mt h ep e r s p e c t i v e so ff l u xl i n k a g ep a t h s ，t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f s r gi sa n a l y z e dc o n s i d e r i n ge l e c t r o m e c h a n i c a le n e r g yc o n v e r s i o n i t so p e r a t i o ni s s t r o n g l ya f f e c t e db yt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a g n e t i cm a t e r i a l s ，s oi ti s d i f f e r e n tf r o mn l ec o n v e n t i o n a lm a c h i n e b a s e do nf o u r i e rs e r i e s e x p a n s i o n , a s i m p l i f i e da n df a s t - b u i l tf l u xl i n k a g ea n a l y t i c a lm o d e lf o rt h es r gi sp r o p o s e d t h e na g e n e r a ls i m u l a t i o nm e t h o do fs r gi se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fs i m p l i f i e df l u x l i n k a g e a n a l y t i c a lm o d e l i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n dl a w so ft h es r ga r e s t u d i e di n c l u d i n g i no r d e rt oa c q u i r eo p t i m a lp e r f o r m a n c ei na l lc o n d i t i o n s ，b a s e do n t h eo p t i m a lc o n t r o lo ff l u x - l i n k a g e , as i m p l ec o n t r o l l e ri s p r o p o s e dt h a to n - l i n e d e t e r m i n e st h eo p t i m a lf i r i n ga n g l e s o p t i m a ls t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e sa r e a t t a i n e dt h r o u g ht h eo p t i m a la l g o r i t h m c o m b i n e dw i 廿1w i n dt u r b i n ec h a r a c t e r i s t i c s ，a l l e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ns r g i sd e v e l o p e db a s e do nm a x i m u mp o w e r c a p t u r e f i n a l l y , ad i g i t a lc o n t r o l l e ro fs r gi sd e v e l o p e db a s e do nd s pa n dc p l d e x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n eo nt h i sp r a c t i c a ls y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t e da n dd e e p e n e dt h e c o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h ec o m p a r eb e t w e e nt h er e s u l t sf r o m e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o na l s ot e s t i f i e dt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ： s w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o r s ；s y s t e ms i m u l a t i o n ；p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o n ；n o n l i n e a rm o d e l c l a s s n o ：t m 3 5 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字e t 期：年月日 签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特i i ：i i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 热 签字日期： 砌g 年多月7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师张奕黄教授的悉心指导下完成的，张奕黄教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 张奕黄老师对我的关心和指导。 杨岳峰博士悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向杨岳峰博士表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，张磊、杨丽伟、欧阳中盈等同学对我论文中 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 绪论 随着电力需求的进一步增长，以及世界范围内对环境保护、能源再生等问题 的日益重视，二十一世纪将更加重视清洁能源和再生能源的开发利用，我国现有 的以煤电为主的电力结构也必将向发电类型的多元化、能源再生化、能源“绿色 化转变，因此，风力发电这种很有发展潜力的发电技术也受到越来越多的关注。 1 1 国内外风力发电现状 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f l 多 l - 都很重视利用风力来发电。 目前国内外风能利用发展的方向主要有两个方面：一是中小容量风力发电装 置的研制，这种机组多为分散的孤立用电户设计，要求工作风速范围大、适应恶 劣气候环境、维护容易、寿命长；另一方面是可与电网并网的大型风力发电机组 的研究。风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景。和其他发电 方式相比，它的建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个月，万 千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台；装机规模灵活，可根 据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；运行简单，可完全做到无人值守；实 际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1 的土地，其余场地仍可供农、 牧、渔使用；对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设。 此外，在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等连 成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性， 这些既是风电的特点，也是优势【l j 。 7 从风力发电的技术状况以及实际运行情况来看，它是一种安全可靠的发电方 式，随着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风力发电成本降低，已经具 备了和其他发电手段相竞争的能力。到2 0 0 1 年，全球总装机容量为2 5 2 7 3 m w ， 其中德国装机容量为8 0 0 0 m w ，名列首位，占世界风电装机容量的3 0 。美国装 机容量达4 0 0 0 m w ，名列第二。西班牙为3 3 0 0 m w ，名列第三。丹麦装机容量 2 6 5 0 m w ，英国为6 5 0 m w ，中国为4 0 0 m w ，排列第八位。到2 0 0 2 年底，世界 总装机容量为3 2 0 3 7 m w ，而欧洲占全世界的7 4 4 ，为2 3 8 3 2 m w 。据预测，到 2 0 1 0 年全世界总装机容量会超过1 4 0 0 0 0 m w ，预计2 0 2 0 年的世界风力发电量将占 北京交通大学硕士学位论文 全世界总发电量的1 0 1 2 - 4 1 。 我国2 0 世纪5 0 年代中期开始研制风力发电装置，6 0 年代开始小批量生产， 7 0 年代末，我国风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 月我国正式成立了全国性的风能专业委员会。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1 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、制造已积累了相当丰富的经验，技术上已日趋成熟， 形成了我国的系列型号，并有部份出口。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【5 j 。 1 2 风力发电技术与风力发电机组 发电机及其控制系统是风力发电系统的核心组成部分，它负责将机械能转换 为电能，风力发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，也决定着整个系统的 性能、效率和输出电能质量。根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术 可分为恒速恒频( c o n s t a n ts p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ，简称c s c f ) 风力发电技术和变 速恒频( v l i r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ，简称v s c f ) 风力发电技术2 5 1 。 1 2 i 恒速恒频风力发电技术 恒速恒频是指风力机转速恒定、发电频率恒定的发电状态。目前世界上较为 流行的恒速恒频发电技术主要有三种，即： l 、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，当风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 缺点是叶片重量大( 与变桨距风机叶片比较) ，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大， 2 绪论 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毂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 * ，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o o 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风能转化为电能，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 2 变速恒频风力发电技术 虽然目前大多数采用异步发电机的风力发电系统属于恒速恒频发电系统，但 作为一种新型发电技术，变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、 水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优 越性和广阔的应用前景。 风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源。风力机在不同风速 下有一个最佳运行转速，此时对风能的捕获效率最高，而且风施加给风力机的应 3 北京交通大学硕士学位论文 力最小，所以应控制风力发电机组运行在这个优化的转速下。传统的恒速恒频发 电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行 - 转速，导致运行效率下降，不但浪费风力资源，而且增大风力机的磨损。采用变 速恒频发电方式，就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，同时使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传 统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。 变速恒频发电技术的诸多优点使其受到了人们的广泛关注，它越来越多地被 应用到风力发电中。自上世纪9 0 年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采 用变速恒频方式，特别是m w 级以上的大容量风电系统。随着风力发电技术的广 泛应用，变速恒频风力发电方式将得到更多的重视，应用范围将不断扩大。 1 2 3 变速恒频发电风力发电系统 变速恒频发电风力发电系统有多种形式，有的是通过发电机与电力电子装置 相结合实现变速恒频，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频，如交直 交发电系统、磁场调制发电机系统、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、s r g 系统等，它们具有各自的特点，适用于各种不同 场合。下面对这些系统分别进行简单的介绍。 1 、交直交发电系统 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。但是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 1 所示为磁 场调制发电机单相输出系统的原理方框图。发电机本身具有较高的旋转频率，= ，用频 率厶的低频交流电励磁( 厶即为所要求的输出频率，一般为5 0 h z ) ，当频率厶远低 于频率z 时，发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为z + 厶和z 一厶的两个 分量组成的调幅波，这个调幅波的包络线的频率是厶，包络线所包含的高频波的频率 是z 。将三相绕组接到一组并联桥式整流器，得到基本频率为厶( 带有频率为6f , 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、频率为名的恒频正弦波 4 绪论 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，正是这特点使得 磁场调制发电机非常适合于并网风力发电系统。 图1 - 1 磁场调制发电机系统 f i g 1 - 1t h em a g n e t i cf i e l dm o d u l a t i o ng e n e r a t o rs y s t e m 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 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 、无剁双馈发电机系统 系统如图l - 2 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。 这种无刷双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 z 盏( 0 + ) 厶 ( 1 - 1 ) 式中，无功率绕组电流频率同电网频率； z 控制绕组电流频率； 5 北京交通大学硕士学位论文 0 功率绕组极对数； 控制绕组极对数。 超同步时，z = ( 0 + ) 厶取+ ，；亚同步时，取- 。当发电机的转速”变化 时，即厶变化时，若控制厂相应变化，可使保持恒定不变，即与电网频率保持一致， 也就实现了变速恒频控制。 图l - 2 并网运行的无刷双馈发电机系统 f i g 1 - 2t h eg r i dc o n n e c t e db r u s h l e s sd o u b l y - f e dg e n e r a t o rs y s t e m 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- d , 部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率的 c i ( 8 + e ) ，因此，图中所示的双向变频器的容量也仅为发电机容量的- 4 , 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 统的- d , 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 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 有电刷和滑环，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( s w i t c h e d 6 绪论 r e l u c t a n c eg e n e r a t o r ，简称s r g ) 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。s r g 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。s r g 容错性强，结构简单，可靠性高，控制灵活。 本文将重点研究开关磁阻风力发电系统。 1 3s r g 适用于风力发电的特点 s r g 用于风力发电有如下优势 6 - 2 3 ： ( 1 ) s r g 结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体，因此成本低廉；转 子不存在铜耗，发电效率高；该系统是自同步运行的，在低频时，不会出现变频 供电的感应电机在低频时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，s r g 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。 ( 2 ) s r g 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。 ( 3 ) s r g 可控参数多，如开通角、关断角、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。 ( 4 ) 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，也可以单独或与其他发电装置或储能装置联合发电。 ( 5 ) s r g 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，s r g 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 发出的是脉冲性质的电流，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。 ( 6 ) s r g 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，s r g 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。 由此可见，s r g 不仅适用于风力发电系统，而且具有很大的发展潜力和研究 价值。 1 4 本文主要研究内容 7 北京交通大学硕士学位论文 本文以s r g 及其控制系统为研究对象，结合国内外相关文献和技术资料，对 s r g 工作特性进行了深入研究，从机电能量转换的角度分析了s r g 运行机理，在 非线性模型的基础上进行了系统建模与仿真，设计了基于磁链特性的角度优化控 制器，研究了s r g 在风力发电中的应用，从控制策略优化的角度获得风能最大捕 获。本文主要研究内容如下： ( 1 ) s r g 发电系统理论分析 介绍了s r g 的系统结构，分析了它的基本工作原理，并从机电能量交换的角 度分析了s r g 的能量交换过程，对s r g 两种励磁模式进行了分析比较，得出了各 自的特点和应用范围，对s r g 常用的控制方法进行了仿真分析，总结了它们的控 制规律。 ( 2 ) 开关磁阻风力发电机系统仿真研究 在非线性电感模型的基础上，考虑到s r g 磁路的非线性，建立了s r g 简化磁 链模型。磁链关于转子位置的表达式通过其傅立叶级数前三项表示，傅立叶系数 由三条特殊位置的磁化曲线确定，即对齐位置，电感最小位置，相对于对齐位置 的中间位置。对齐位置和中间位置磁链由反正切函数近似拟合，电感最小位置的 磁链是一条直线。因此，仅通过有限元分析或者实验测量得到五个关键点的磁链 数据，就可以建立磁链模型。该磁链模型容易实现且运算速度快，非常适合计算 机辅助设计和性能预测。 在简化磁链模型的基础上，建立了s r g 系统仿真模型，包括电机本体模型， 功率变换器模型、控制单元模型等。在此模型的基础上，对s r g 励磁模式及开环 和闭环性能进行了仿真研究。 s r g 容错性强，即使在故障运行时也能可靠工作，所以本文针对s r g 的故障 运行进行了分析和仿真研究。 ( 3 ) 基于磁链优化控制的s r g 在线角度计算 本文就电流控制型s r g 性能优化进行了研究，设计了在线计算优化开关角 控制器，其实现简单，对建模精度不敏感，最后通过仿真验证了所提出控制方 案的有效性。 ( 4 ) 基于风能最大捕获的s r g 风力发电系统 风力发电是涉及电机、电力电子、电力系统、电化学、材料、机械、空气动力 学、计算机、自动控制、气象等多种学科的综合课题。本文研究了s r g 在风力发 电领域的应用，分析了开关磁阻风力发电机风能最大捕获原理，并在此基础了对 常用的风能追踪方案进行了对比分析，选择了适用于本系统的风能追踪方案。以 风能最大捕获为优化目标，结合风的特性建立了风力机模拟平台，在实验室条件 下实现了风力机的直流机模拟，搭建了风力发电实验系统，对最大风能捕获进行 8 绪论 了实验研究。 ( 5 ) 实验结果分析 在实验室s r g 实验平台的基础上，对s r g 开环和闭环特性进行了实验研究，同 时利用直流电动机模拟风力机特性，在实验室条件下实现了s r g 的风能最大捕获，给 出了部分实验结果并进行了分析。 9 开关磁阻发电机系统理论分析 2 开关磁阻发电机系统理论分析 s r g 是磁阻电机与现代电力电子技术、微机控制技术相结合的产物，既继承 了磁阻电机结构简单坚固的优点，又在高度发展的电力电子和微机控制技术的支 持下获得了良好的可控性，并逐渐在电动调速领域和可靠发电领域内获得了一席 之地，展现出了良好的发展势头 2 4 - 3 0 1 4 3 - 5 4 。 2 1s r g 发电系统结构 s r g 发电系统由s r g 、励磁电源、功率变换器、控制器、检测电路构成，系 统框图如图2 1 所示： 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i 融僦由溉l ! 1 讳- 澎盛镌腿l 一。l l i 舀子h 姻 删屯怖厂t 圳干x 扶俯i - _ 一。l 二 i 一”。 i 负载卜卜 i 。 上 - j t f 1 电流检测l 原动机 坊生茧并 外部给定卜_1 控制器卜一位置检测卜 】工u 干u 图2 - 1s r g 系统构成框图 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo f t h es r gg e n e r a t i o ns y s t e m s r g 是系统中机电能量转换的核心，它具有双凸极结构，转子由硅钢片叠压 而成，既无绕组也无永磁体；定子上绕有集中绕组，两个绕组串联构成一相绕组。 s r g 可设计成多种不同相数，通过定转子极数的不同搭配可获得多种性能，因此， s r g 结构简单，成本低，坚固耐用，性能优良。功率变换器承担着励磁功率输入 与发电功率输出的双重任务。 功率变换器的作用是由励磁电源提供的能量经适当转换后提供给s r g ，同时 将发出的电能供给负载使用或者并网发电。由于s r g 绕组电流是单向的，使得其 功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可 预防短路故障。s r g 的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数以及 主开关器件的种类等有关。 控制器是系统的核心，它综合处理给定指令、速度反馈信号及电流传感器、位 置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对s r g 运 行状态的控制。 s r g 发电系统的结构与性能特点总结如下： 北京交通大学硕士学位论文 1 、电机结构简单、成本低、适于高速运行； 2 、功率电路简单可靠； 因为电机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电 路可以做到每相一个功率开关，电路结构简单。另外，系统中每个功率开关器件 均直接与电机绕组相串联，避免了直通短路现象。因此s r g 发电系统中功率电路 的保护电路可以简化，既降低了成本，又具有高的工作可靠性。 3 、效率高、功耗小； s r g 是一种高效率的发电机，这是因为一方面s r g 转子不存在绕组铜耗，另 一方面s r g 可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优 化控制。 4 、可控参数多，调整性能好。 控制s r g 的主要参数至少有四种：控制开通角；控制关断角；控制相 电流幅值；控制相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对 发电机的运行要求采用不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态( 如效 率最优) 。 s r g 发电系统也存在着一些不足。例如振动噪声较大、低速转矩脉动较大， 并且相数越多，主接线数越多；需要根据定、转子的相对位置励磁，发出的是直 流电，是全变流系统，不能像双馈电机那样可以直接并网发电。随着相关研究工 作的深入，这些缺点正被逐步改进。 2 2s r g 运行原理 2 2 1s r g 基本工作原理 s r g 的运行是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的，当定子绕组通电时，产 生一个单相磁场，其分布遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径 闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子 上，并产生转矩使其趋向磁阻最小的位置，即两轴线重合的位置。下面以三相1 2 8 极s r g 为例进一步阐述其运行原理。 设s r g 在外力的驱动下，以逆时针方向旋转。在定子b b 与转子极轴线重合 位置附近，定子船相绕组通电，即开关是、是闭合，该相通过直流电源玑进行 励磁。磁力线由定子经定子极b 、气隙、转子极l 、铁心、转子极1 ，再回经定子 极b ，形成闭合回路。由于定子b b 相绕组轴线与转子极1 l 不重合，根据“磁阻 最小原理 ，转子极1 l 将有向定子极b b 运动趋势，并受到该方向的力矩作用，即 1 2 开关磁阻发电机系统理论分析 顺时针方向，与驱动力矩相反，同时转