（电机与电器专业论文）开关磁阻风力发电机的研究.pdf

a b s l r a c t a st h ee n e r g ys o u r e 簋o o n s u e i l ei n c r e a s i n gd a i l y , w i n dp o w e ri sp a i dg r e a ta t t e n t i o n b ym o r ea n dm o r ec o 啊缸e s a n dt h et e c h n o l o g i e si n t e r e s t ss p e c i a l i s t sa n ds c h o l a r si n m a n y c o u n 砸e s t h i sp a p e rg a v et h er e s e a r c ha n de x p e r i m e n to nt h e o r i e s , w h i c hf o c u s e so nt h e a p p l i c a t i o no f s w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o ri nw i n dg e n e r a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e r s u n u n a f i z e dt h ea c t u a l i t ya n dt h ef o r e g r o u n do f t h e t e c h n o l o g i e so f w i n dg e n e r a t i o n p r e s e n t e ds e v e r a la d v a n t a g e so f s w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o ru s e di nw i n dg e n e r a t i o n , a n dt h es i g n i f i c a n c eo f d e v e l o p i n gt h i ss y s t e m s e c o n d l yp a p e ri n t r o d u c e d 血co l 蒯o np r i n c i p l eo f 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 a n dt h es t r u c t u r eo f i t sc i r c u l l t h e na n a l y s e st h er e l a t i o nb c t w ni n d u c t a n c ea n d a n g l e p o s i t i o n , 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 eg e n e r a t o ra n dt h ep h a s ec u r r e n t o n t h eb a s eo f t h e s ea n a l y s e , p a p e ri n t r o d u c e dt h r e ec o n t r o lm e t h o d s ：t h ea n g l ep o s i t i o n c 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 la n dt h e p w mc o n t r 0 1 t h e n p a p e r i n t r o d u c e d a m a t h e m a t i c m o d e l o f s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r b a s e d o n s t r u c t u r a lp a r a m e t e r u s i n gt h i st h e o r y , p a p e re s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d e l si n m a t l a b s i m u l a t i o na n dg o ts o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sf r o mi t n e x t , p a p e r i n t r o d u c e dt h eh a r d w m e sa n ds o r w a r e so f t h ec o n t r o l l e r so f s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o ra n dd i r e c tc u r r e n tm o t o ri nt h i ss y s t e r a f i n a l l y , e x p e r i m e n th a d b e e nd o n eo nt h ep 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 s v a l i d a t e dt h ec o n c l u s i o n sd r a w nf i o mt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha b o v e k e y w o r d s - s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r , d s p ；w i n dg e n e r a t i o n c l a s s n o ：t m 3 5 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： 狄磊 签字日期： 口年) 月j f 7 1 导师签名：吲磁 p 签字日期：( 9 t - 年，朋吖日 。；。： j 立窑耍态堂亟堂焦途毫 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，除了文中特别加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： 孤磊 签字日期： 7 年j 月j 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。在此衷心感谢三年来张老 师对我的关心和指导。 张教授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，在此向张老师表示衷心的谢意 杨岳峰同学对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王素杰同学对我论文中仿真部分的研究工作 给予了热情帮助，在此表达我的感激之情。 另外也感谢我的父亲和母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 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 都把开发新的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l o 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 年在丹麦建成，一个世纪以来，世 界各国纷纷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国际 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 缺危机已愈演愈烈，且供不应求已是大势所趋，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“，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开发条件国家 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) ，其他一些国家如意大利、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1 0 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谱、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 l 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【l 2 l 1 2 1 风力发电基本理论 根据贝兹理论，通过风轮的最大能量可用下面公式表示： p = l p d v j c p 圭p a r 3 0 5 9 ( 1 - - 1 ) 式中p ( 幻埘3 ) 为空气密度，v ( m s ) 为风速，a 为风轮截面 c 。为风能利用系数，即在单位时间内风轮所吸收的风能与通过风轮旋转面的 全部风能之比。按照贝兹极限，c 。最大值为0 5 9 3 。这表示，即使吸收风的全部能 量，也只能有5 9 的能量可以为风力机所用。但贝兹理论中，没有考虑到不可避 免的涡流损失，认为在高的叶尖速比a 3 时，叶片翼形优化，涡流损失很小。风 轮的叶尖速比五是风轮叶片的叶尖速度与风速之比，它是风力机的一个重要设计参 数。叶尖速比五直接影响叶片的能量捕获，影响风能利用系数c 。风能利用系数c 。 只有在叶尖速比a 为某一定值时最大。在恒速运行的风力机中，由于叶轮转速不变， 而风速经常在变化，因此五不可能经常保持在最佳值( 即使是采用变桨距叶片) ，c 。 值往往与其最大值相差很多，使风力机常常运行于低效率运行的状态而变速运 行的风力机，使风力机在叶尖速比恒定的情况下运转，从而使c 。在很大的风速变 化范围内均能保持最大值，提高风力发电机的效率。 在风力发电机与电网并联运行时，要求频率保持为恒定的电网频率，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， 从而得到频率恒定电能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频恒速发电技术。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【7 。l 2 恒速恒频是指风轮机转速恒定、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： ( 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，小发电机) 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， 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o 。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 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 程重复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，我们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 、r e o ) 构成的a c d c 整流装置， 将发电机发出的变频电能转换为直流。 ( 2 ) 中间直流环节：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的三相正弦交流电。 上述的变频环节采用的是交一直交系统，在应用中，也有采用交一交系统 的，但由于交一交变频装置过于昂贵，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，还有其它一些共同的优 点： 较宽的运行范围。可以运行在亚同步转速和超同步转速，以适应由于风速变化 引起的发电机转速的变化。 减少或简化了复杂的调速装置，提高系统可靠性，并且降低了成本。 采用一定的控制技术可以灵活调节系统的有功和无功，可以起到功率补偿的作 4 用。 采用p w m 控制技术，可以抑制谐波，提高效率，降低成本 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 有多种方案实现变速恒频风力发电，如交一直交发电系统、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、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 面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。但是有商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。 图l l 磁场调制式风力发电系统 f i g 1 1m a g n e t i cf i e l dm o d u l a t i o nw i n dg e n e r a t i o ns y s t e m 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 ) ，当频率五远低于频率z 时，发电机三个相绕组 的输出电压波形将是由频率为+ 厶) 和一厶) 的两个分量组成的调幅波，这个 调幅波的包络线的频率是五，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，得到基本频率为五( 带有频率为6 c 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、频率为正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电系统。 s 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 ) 无刷双馈发电机系统 电网 图1 2 无刷双馈发电机系统 f i g 1 - 2s y s t e mo f b r m h l e s sd e u b l y - f e dg e n e r a t o r 系统如图1 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 6 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 正正= ( p p + 见) 厶 ( 1 - 2 ) 式中，正一功率绕组电流频率同电网频率； z 控制绕组电流频率； c 一功率绕组极对数； 控制绕组极对数 超同步时，z = ( p ，+ 成) 厶取“+ 竹；亚同步时，取“，当发电机的转速n 变化时，即五变化时，若控制z 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。 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- 4 , 部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组 功率的p 。i ( p p + p c ) ，因此图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 图l 3 绕线式双馈异步发电机系统结构 f i g 1 3s y s t e mo f w o u n d e dd o u b l y - f e dg e n e l m o f 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 7 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- - 4 , 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，然后通过网侧逆交器格能量馈入电网。开关 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阻习 开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体其运行时相 当于一个电流源，这样在一定转速范围内，输出端电压不会随着转速的变化面变 化，而其它普通的发电机如：异步发电机、感应发电机若要固定输出端电压，其 转速也须固定，这就降低了风能的利用效率，显然，开关磁阻发电机这样的变速 发电机可以提高风能的利用效率。由于有上面的特性，加以合理的设计，开关磁 阻发电机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。使整 个发电系统结构更加简洁、可靠，这也正是风力发电系统的发展趋势运行过程 中，开关磁阻发电机可控参数多，如开通角、关断角等，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。 从风力发电的特点考虑，风力发电系统首先要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，而且要高效率的实现上述能量转换，以 降低成本。以此标准来看，本文所研究的开关磁阻电机风力发电系统在风力发电 方面是非常有应用前景的。 8 1 4 开关磁阻电机风力发电实验系统 实验中的开关磁阻电机风力发电系统是围绕着开关磁阻发电机( s w i t c h e d r e l u c t a n c eg e n e r a t o r , 简称为s r g ) 搭建起来的，系统框图如图l 4 所示。 图l 4 开关磁阻风力发电实验系统框图 f i g i - 4 b l o c k d i a g r a m o f s w i t c h e d r e l e c t a a c e g e n e r a t o r s y s t e mi nw i n dg e n e r a t i o n 直流机及其控制系统：模拟风机输入机械能。 开关磁阻发电机：为整个发电系统的核心，实现机械能到电能的转换。 功率变换电路：外部励磁功率输入和开关磁阻发电机发电功率输出的通道。 驱动电路：包括d s p 最小系统、主电路的驱动电路、控制电路和其它信号检测 和保护电路。 励磁电源：在s r g 发出的电压未达到励磁要求前，由此电源提供励磁。 负载：本实验系统中采用阻性负载 1 5 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定 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： l 、围绕现有开关磁阻电机控制系统搭建发电系统实验台。 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 、编写以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的控制器软件。 5 、为进一步研究开关磁阻电机的发电运行，结合调试心得对实验系统的软硬 件提出相应的改进方案。 1 0 2 开关磁阻发电机的理论基础嗍 2 1 开关磁阻电机的发电模式 开关磁阻电机发电系统主要有两种工作模式：一是自励模式：该工作模式的 特点就是在电压建立的初始瞬间，由外电源提供初始励磁，当电压达到控制所需 的稳定值后，切断外电源，此后由开关磁阻发电机本身发出的电压提供励磁。自 励发电在建压后不再需要外电源，因此系统体积较小，效率高。二是他励模式： 他励发电的励磁回路与发电回路彼此独立，线路比较复杂，但由于在开关磁阻发 电机运行过程中始终由外部电源提供励磁，此时励磁电压与输出电压无关，两者 可以独立调节，因此控制比较方便。本文以研究自励模式为主。 2 2 开关磁阻发电机及主电路的基本结构 开关磁阻电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集 中绕组，转子上无绕组。本实验系统采用的是三相1 2 8 结构开关磁阻电机，其截面 图如图2 一l 所示。 s l u s 2 图2 一l 实验系统开关磁阻电机及主电路 f i g 2 1s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ra n di t sc i r “l i t 以其中一相为例，系统的主电路采用的是不对称半桥结构( 图2 一1 ) s 1 、 s 2 是主开关管，d 1 、d 2 是续流二极管，【，为外部直流励磁电源。在这种电路结构 中，同一桥臂上有两个主开关元件与绕组串连，因而不存在上下桥臂直通的故障 隐患，且相与相之间彼此独立，对电机的相数没有限制，控制灵活，充分的体现 y s r g 功率变换器相对于其他交流调速系统逆变器的固有优势。 2 3 开关磁阻发电机的工作原理 以实验系统中的三相1 2 8 极开关磁阻发电机为例，如图2 1 所示，发电机在外 部原动机拖动下，其转子按顺时针方向旋转，电机内部磁阻随着转子位置的不断 改变而变化。由于电感大小与磁阻成反比，则在转子齿轴线与定子齿轴线重合时， 相绕组电感最大；转子槽轴线与定子齿轴线重合时，相绕组电感最小。在如图2 一l 所示位置，闭合开关s l 、s 2 ，励磁电源【，给a 相绕组励磁。此时，磁力线经定子轭、 定子极、气隙、转予极、铁心、转子极、气隙、再回经定子极形成闭合回路。由 于受外部原动机的拖动，转子将按照顺时针方向旋转，根据“磁路最短原则”，此时 的磁场力矩与驱动力矩相反，机械能将转化成磁能贮藏在磁场中。当开关s l 、s 2 断开时，a 相电流通过二极管d i 、d 2 续流，绕组内的电流方向不改变，电源u 极 性与原励磁极性相反，此时储存在磁场中的磁能将被释放出来，转化成电能回馈 至电源。从而完成了机械能和电能之间以磁场为媒介的机电能量转化过程。 2 4 开关磁阻发电机的基本分析邮叫 2 4 1 电感与转子位置角的关系 由于开关磁阻发电机是双凸极结构，其内部磁路存在着严重非线性，加上运行 时的开关性和可控性，使电动机内部的电磁关系十分复杂为弄清电机内部的基 本电磁关系，有必要用简化的线性模型进行分析研究，图2 2 为简化后得到的相 绕组电感随转子位置角周期性变化的规律。 1 2 珏羞磁阻蕴电扭的堡j 金基础 l 厂 后 l 厂 沿- l j 一厂趋一 ：厂转子 。 e ，o e 。良。i 叫 e 良0e ，e 6 七 图2 - _ 2 转子位置与电感曲线关系 f i 醇- 2r c l m i o n b e 啊蝴曲e l a n c c a n d 蝴p o s i 妇 图2 _ 之中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点口= 0 的位置，对应于定 子齿轴线与转予槽轴线重合的位置，此时相电感为最小值工k 。在幺岛( 岛为转 子齿前沿与定子齿后沿对齐的位置) 区域内，定、转子齿相互不重叠，电感保持最 小值。不变，这是因为开关磁阻电机的转子槽的极弧通常都大于定子齿的极弧。 转子转过砬后，相电感便开始线性上升直到b 为止，绣是转予齿前沿与定子齿前 沿对齐位置，这时定、转子齿全部重叠，相电感变为最大值工。基于电机综合性 能的考虑，转子极弧羼通常要求大于定子极弧孱，因此在岛幺( 只为转子齿后 沿与定子齿后沿对齐位置) 区域内，定转子齿保持全部重叠，相电感保持在最大 值三k 。从幺相电感开始线性地下降，直到b 处降为工- ，吃、q 均为转子齿后沿 与定子齿前沿对齐位置如此周而复始，往复循环。 2 4 2 发电机能量转换分析 i f - i 1 根据能量守恒定律，在不考虑电路中电阻损耗、铁芯损耗和转子旋转产生机械 损耗的情况下( 以下文章都是以不考虑这些损耗为前提的) ，输入的机械能既应等 于电机内部磁场储能啄、输出电能形与转子动能之和，写成微分形式即为： d 呢= d 乃+ d 形+ d ( 2 _ 1 ) 设励磁电压u 和感应电势e 的参考方向如图2 3 所示。 幽2 _ - 3 发电机电压与电沉参考方向 f i g 2 - 3r e f e r e n t i a ld i c t i o f v o l t a g ea n dc u r r e n ti ng e n e r a t o r 电机绕组内感应电动势有： e d r ( 卅) m 假设电流i 为发电机发出的电流，绕组输出电能增量即为： d 睨= e i d t = - i d 吵 ( 2 - _ 3 ) 机械能增量可由电磁转矩r 和位置角0 计算得到： a w = t d o ( 2 _ 4 ) 转子动能增量可由原动机和发电机总转动惯量- ，与转子的角速度m 计算得到： d = d g 砌2 ) = j w d o ( 2 5 ) 而磁场储能可表示为： d 孵：堡d o + 盟如( 枷) j 0 0a 诳? 将公式2 _ 3 ，2 - _ 4 、2 - - 5 和2 - - 6 代入2 一l 式，得到： 肌岛挑鲁m - i d 矿+ j w d 国 ( 2 _ 7 ) 由于有哆= j 却，则： 肘口；互d o + j c o d o 。( 2 - 8 ) a 口 又电磁转矩满足： 乙：一孚 ( 2 _ 9 )r = 一上 ( 2 9 ) a 日 7 所以得到： r + 乙= - ，掣a t ( 2 - l o ) 上式表明，如果r + 乙= o ，则原动机输入力矩与发电机电磁力矩相平衡，电 机转速不变；如果r + 乙 o ，电机转子吸收机械能( 动能增加) ；如果r + 乙 o ，等 o ，堕d o o ，电流上升由于此时电感处 于逐渐变大的过程中，电流上升速度比较缓慢。r = j 1f 2 等 o ，产生电动转 矩。u f o 厶出d i o ，f 2 出丝0 0 o ，系统吸收电能增加磁场储能和输出机械 能。 2 ) 岛幺：开关管导通q o ，等= o ，嘉 o ，电流上升。此时电感为最大值 工h ，则电流上升速度仍较慢r = o ，不产生转矩q f o ，厶出d i o ， i 2 w 兰= o ，系统吸收电能增加磁场储能 ，h 3 ) 只一：开关管继续导通q o ，等 o ，电流上升。此时电感处 于逐渐减小的过程，电流上升速度迅速t o ， 厶差 o ，f 2 垃，嚣 o ，系统吸收电能和机械能来增加磁场储能 4 ) 一岛：此时开关管关断，二极管续流使得以 。，电流将继续上升。转速较低时，也一砌嚣 。， 嚣 o ，电流下降。r o ，产生制动转矩。以f o ，也一泐荔 o ，系统 吸收机械能，回馈电能。 5 ) 岛：u i o ，等= o ，骞 o ，电流下降。因为此时电感为最小值k ， 电流下降迅速。r = o ，不产生转矩q f o ，厶篆 l 。则主开关管一直保持关断状态直到下个周期 如图2 _ _ 5 所示，固定氏调节斩波限，哪相当于调整，随着斩波限k 的增加， 励磁区间长度变大，励磁电流增加，续流电流也相应的增加，则电机的有效输出 功率增加。 2 5 3p w m 控制 图2 _ - 5 电流斩波控制电流波形 f i g 2 - 5w a v eo f g m m - e n t i nc u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o l p w m 控制与a p e 和c c c 两种控制方法不同，p w m 控制并不是实时的调整开关 管的气和其控制思路是在开关管的控制信号中加上p w m 信号，通过调节 p w m 的占空比来调节励磁电流的大小如图2 _ - 6 所示，占空比d 越大，励磁电流 也越大，发电机的有效输出功率也越大。 图2 - 6p w m 控制电流波形 f i g 2 - 6w a v eo f c u r r e n ti np w m c o n t r o l e 3 开关磁阻电机发电系统的仿真 3 1 仿真环境介绍”9 - 2 1 m a t l a b 是集数学计算、结果可视化和编程于一身，能够方便地进行科学计 算和大量工程运算的数学软件目前，它己经成为世界上应用最广泛的工程计算 软件之一。经过多年的发展和完善，m a t l a b 已经发展成为一个多领域、多学科、 多功能的科技应用软件，它具有以下特点： 超强的数值运算功能。在m a t l a b 环境中，有超过5 0 0 种的数学、统计、科学 及工程方面的函数可供使用，而且使用简单快捷。一个很复杂的问题只用几条 简单的指令就可以解决，这样可以使用户把精力集中在解题方面，而不必在电 脑编程上浪费太多时间。 强大的数据可视化功能m a t l a b 的图形功能使用户可以进行视觉数据处理 和分析。研究人员在完成科学性或工程性文章时，可以用m a t l a b 制作高质 量的图形，从而写出图文并茂的文章。 开放的架构和可延拓的特性除了内部函数外，所有m a t l a b 主包文件和各 工具包都是可读可改的源文件，用户可以检查算法、修改现有函数，甚至假如 自己的函数、构成新的工具包，使m a l r i b 拥有合适用户的环境。 丰富的工具箱。由于m a t l a b 的开放性，许多领域的专家都为m a t l a b 编写 了各种程序工具箱这些工具箱提供了用户在特别应用领域所需的许多函数， 这使得用户不必花大量的时闻编写程序，就可以直接调用这些函数，为用户节 省了大量的时间和精力，达到事半功倍的效果。 m a t l a b 主要由m a t l a b 主程序、m a t l a b - i - 具箱( t o o l b o x ) 和s i m u l i n k 动 态系统仿真三大部分组成。其中主程序包括m a t l a b 语言、工作环境、句柄图形、 数学函数库和应用程序接口五部份；工具箱实际就是用m a t l a b 的基本语句编写 的各种子程序集和函数库，用于解决某一方面的特定问题，实现某一类的新算法； s i m u l i n k 是一个用于进行动态系统建模、仿真和分析的集成软件包，允许用户在 屏幕上绘制框图来模拟一个系统，并能动态地控制该系统。目前的s i m u l i n k 不仅 可以进行线性系统仿真，也可以进行非线性系统仿真，既可以实现连续时间系统 仿真，也可实现离散时间系统甚至混合连续离散时间系统的仿真，它还支持 多制采样率的系统仿真；此外，s i m u l i n k 能够用m a t l a b 本身的语言、c 语言或 是f o r t r a n 语言，根据s 函数的标准格式写成用户自定义的功能模块。 1 9 运用m a l l a b s m i u l i n k 建模的特点 m a t l a b 凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境 以及丰富的算法工具箱，己成为国际控制界最为流行的计算机辅助设计及教学工 具软件。长期以