田立園

(天津科技大學(xué) 天津300222)

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)非線性仿真研究

田立園

(天津科技大學(xué) 天津300222)

根據(jù)磁阻發(fā)電機(jī)的工作原理并結(jié)合最大風(fēng)能捕獲原理，搭建了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的非線性仿真模型。仿真結(jié)果驗證了 SRG非線性模型的正確性，系統(tǒng)輸出電壓能夠快速、平穩(wěn)建立，恒功率輸出控制效果良好。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用模糊控制策略設(shè)計模糊控制器，優(yōu)化了電機(jī)轉(zhuǎn)速。

風(fēng)力發(fā)電 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī) 仿真

風(fēng)能在歐洲的利用時間較早，并在 20世紀(jì)快速發(fā)展。到20世紀(jì)末，歐洲累計風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 34,200,MW，占全球風(fēng)電總裝機(jī)容量的 72%。[1]而在我國，風(fēng)能研究直到 20世紀(jì)80年代才開始起步，發(fā)展緩慢。

目前的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，可分為恒速恒頻發(fā)電和變頻風(fēng)速發(fā)電兩大類。傳統(tǒng)的方法是采用恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。這種發(fā)電模式，電機(jī)只能運(yùn)行在一個特定的速率上，當(dāng)風(fēng)速改變時，風(fēng)力機(jī)會偏離最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致運(yùn)行效率下降，風(fēng)力資源浪費(fèi)。新的發(fā)展方向是采用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠在風(fēng)速改變的條件下，實時調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而避免上述問題。[2]由于開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制性能好、容錯能力高等特點(diǎn)，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實施提供了有力的條件。

目前，國內(nèi)的相關(guān)研究剛剛起步，大部分只是單獨(dú)對磁阻發(fā)電機(jī)或風(fēng)力機(jī)進(jìn)行研究，綜合考慮這兩部分的研究不多。本文把風(fēng)力機(jī)和磁阻發(fā)電機(jī)相結(jié)合進(jìn)行研究，應(yīng)用當(dāng)前流行的仿真系統(tǒng)軟件 Matlab/Simulink，搭建開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的非線性仿真模型。在搭建模型的基礎(chǔ)上，引用了模糊控制策略，得到了較好的速度控制曲線。

1 風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能捕獲控制機(jī)理

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件，可截獲流動空氣所具有的動能并轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，因此它不僅決定了整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出，而且直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。圖1為風(fēng)力機(jī)的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線。

圖1 風(fēng)力機(jī)功率-轉(zhuǎn)速特性曲線Fig.1 Power characteristic of a w indm ill’s power-speed

由圖1可知，每個風(fēng)速都會對應(yīng)一個功率曲線。而隨著轉(zhuǎn)速的不斷變化，風(fēng)力機(jī)的輸出功率也會發(fā)生改變，但是每個功率曲線上都只有一個最大功率與該風(fēng)速對應(yīng)。要想得到最大功率就必須使風(fēng)力機(jī)在與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)速上運(yùn)行。而由于風(fēng)能的隨機(jī)性，風(fēng)速總是處在不斷變化之中。因此要想使系統(tǒng)始終運(yùn)行在最大輸出功率的狀態(tài)上，就要不斷改變系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)靜態(tài)運(yùn)行時，可得到輸出功率P、轉(zhuǎn)矩Ta，分別為：[3]

式中：λ——葉尖速比；

Cp——功率系數(shù)；

Ta——風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩；

R——風(fēng)輪葉片半徑；

v——風(fēng)速；

β——槳距角。

由公式(1)、(2)、(3)可知，當(dāng)槳距角固定不變時，風(fēng)力機(jī)的輸出功率由葉尖速比決定。因此為了得到最大輸出功率，必須得到最佳葉尖速比。根據(jù)文獻(xiàn)[3]給出的公式，我們可以得到最佳葉尖速比λ=8.1，最大功率系數(shù) Cp(λ,β)＝0.48，進(jìn)而得到最大功率，由公式(2)得到最大功率下風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩Ta，即磁阻電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL。

2 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的狀態(tài)模型[4]

根據(jù)文獻(xiàn)[1]和[2]，用狀態(tài)方程表示SR電機(jī)的數(shù)學(xué)模型：

式中：Te= Ta+Tb+ Tc+ Td

各相非線性電感的表示方法：

非線性電磁轉(zhuǎn)矩為：

式中：j＝1，2，3，4

運(yùn)動方程：

3 系統(tǒng)仿真模型及控制策略

系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。

圖2 風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)Fig.2 Simulation system of w inder power generation

該模型包括4部分，即SR電機(jī)模塊、風(fēng)力機(jī)模塊、轉(zhuǎn)矩模塊、模糊控制模塊。其中 SR 模塊包括 Subsystem、Subsystem1、Subsystem2和Subsystem3等4個子系統(tǒng)，如圖3所示。它們分別代表了發(fā)電機(jī)的四相。這四相的大部分功能都是相同的，指出了計算轉(zhuǎn)子位置輸入的信號，后一相都與前一相的輸入角度相差15,°。該功能通過Matlab中的rem取余函數(shù)得到。由于轉(zhuǎn)子位置的差別，每相電機(jī)開通和關(guān)斷的時間不同，得到的各相轉(zhuǎn)矩、電流、電壓、磁鏈也不盡相同，但它們的形狀相同。將這四相的各個相關(guān)部分相加，即可得到 SR電機(jī)的總電流、合成轉(zhuǎn)矩、總電壓等值。

圖3 四相電機(jī)仿真模型Fig.3 Simulation model of a four-phase motor

Fuzzy模塊為速度控制模塊，單輸入為轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)速反饋的差值，單輸出為參考電流值I*。當(dāng)相電流大于參考電流時主開關(guān)開啟，反之則關(guān)斷。模糊控制器的結(jié)構(gòu)一般包括 4部分，即規(guī)則庫、推理機(jī)、模糊化接口、反模糊化接口。[5-6]本文所設(shè)計的模糊控制器是二維模糊控制器。其輸入為轉(zhuǎn)速偏差(E)和偏差速率(EC)，輸出為控制變量 u，即磁阻發(fā)電機(jī)的開關(guān)電流。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。輸入輸出量的論域都是[－7，7]。為了能夠得到較強(qiáng)的控制系統(tǒng)作用，達(dá)到快速控制系統(tǒng)的目的，隸屬函數(shù)選擇三角型，且是中間密、兩邊疏的對稱三角形，如圖5所示。模糊控制面如圖6所示。

圖4 模糊控制模塊結(jié)構(gòu)Fig.4 M odular structure of fuzzy control

圖5 隸屬函數(shù)Fig.5 Subordinate functions

圖6 模糊控制面Fig.6 Fuzzy control surface

4 仿真分析

在進(jìn)行 SRG的動態(tài)仿真前，首先要對仿真模型中的定、轉(zhuǎn)子極數(shù)、θ1～θ5、開通角θon、關(guān)斷角θoff、最大電感值、最小電感值、相電壓、每相電阻阻值，轉(zhuǎn)動慣量及摩擦系數(shù)等參數(shù)賦值。采用以下數(shù)據(jù)：8/6四相 SRM，Ns= 8，Nr= 6，給定起勵電壓 Us＝280,V，Lmin＝0.024，Lmax＝0.14，R＝1,?。D＝0.01，J＝0.05。PI控制器中，Kp＝35，Ki＝4，模糊控制器中，Ke＝0.2，Kc＝0.000,1，Ku＝0.02。

圖 7、8分別為系統(tǒng)輸出電壓建立過程曲線和輸出功率曲線?？梢钥闯觯到y(tǒng)建壓過程平穩(wěn)快速，系統(tǒng)輸出功率能跟蹤給定功率值，恒功率控制效果良好，由此驗證了 SRG非線性模型的正確性。

圖 9為 PI控制器下的速度曲線波形，圖10為模糊控制下的速度曲線波形。可以看出 PI控制器下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，超調(diào)比較嚴(yán)重，而且穩(wěn)定時間較長。通過對兩組速度曲線的對比，可以發(fā)現(xiàn)，加了模糊控制的一組曲線比較平滑。說明模糊控制策略能有效消除毛刺，減小震蕩和超調(diào)。

圖7 輸出電壓建立過程曲線Fig.7 Curve of output voltage setup procedures

圖8 輸出功率曲線Fig.8 Output power curve

圖9 PI控制器速度曲線Fig.9 Velocity curve of PI controller

圖10 加入模糊控制的速度曲線Fig.10 Curve of fuzzy controlled velocities

5 結(jié) 語

本文在 SRG和風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立了風(fēng)電系統(tǒng)的非線性仿真模型。通過建立電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)輸出電壓得以平穩(wěn)快速建立，輸出功率基本可以跟蹤給定功率，實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。最后運(yùn)用模糊控制策略對系統(tǒng)的速度進(jìn)行優(yōu)化控制，得到了較好的速度波形?！?/p>

［1］ 禹華軍，張銘杰. 風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀與控制技術(shù)綜述[J].上海電器技術(shù)，2006(2)：21-26.

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［3］ 高平，王輝，俞越，等. 基于 MATLAB-Simulink的風(fēng)力機(jī)性能仿真研究[J]. 能源研究與信息，2006，22(2)：79-84.

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Nonlinear Simulation of W ind Power System based on Sw itched Reluctance Generator

TIAN Liyuan
(Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China)

According to the working principle of reluctance generator and the principle of maximum w ind energy capture，a nonlinear simulation model of sw itched reluctance generator system was built. Simulation results verified the validity of the SRG nonlinear model and proved that its system output voltage can be quickly and stably established and its output control effect under constant power is good. On this basis，under the guidance of fuzzy control strategy，a fuzzy controller was designed to optim ize the motor’s speed.

w ind power generation；sw itched reluctance generator(SRG)；simulation

TM 352

：A

：1006-8945(2015)03-0021-04

2015-02-01