譚 陽,吳國慶,2,茅靖峰,張旭東,2
(1.南通大學(xué),南通226019 2.江蘇省風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)工程中心,南通226019)
風(fēng)能是一種清潔、可再生的能源。隨著傳統(tǒng)的一次能源消耗越來越大,各國都在致力于新能源的開發(fā)和利用。根據(jù)2014中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告,截至2013年底,我國以裝機(jī)總?cè)萘?91.3 GW)超過美國(61.09 GW)、德國(34.250 MW)穩(wěn)居第一,同時(shí)年風(fēng)電裝機(jī)容量的速度也領(lǐng)先全球其他各國。然而,由于我國風(fēng)電建設(shè)過于集中,離高負(fù)荷中心較遠(yuǎn),缺乏調(diào)峰能力,單一的電源結(jié)構(gòu)使得“棄風(fēng)限電”現(xiàn)象愈加突出。在此背景下,小型離網(wǎng)分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的提出,已被國家納入風(fēng)力發(fā)電的重要的組成部分。目前,我國在此方面實(shí)行與歐美國家相比較為落后[1]。如何使得風(fēng)能在當(dāng)?shù)仉娏οM(fèi)中的比例提升,實(shí)現(xiàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)分布式離網(wǎng)型風(fēng)電的發(fā)展,已成為能源行業(yè)和相關(guān)高校研究熱點(diǎn)。
目前,同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、雙饋感應(yīng)電機(jī),被廣泛用作分布式風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用,但是這些傳統(tǒng)電機(jī)存在諸如調(diào)速范圍窄、效率低、體積大、維護(hù)成本高等缺陷[2]。相較于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī),開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(以下簡稱SRG)沒有永磁體并且轉(zhuǎn)子上無繞組,結(jié)構(gòu)簡單可靠,同時(shí)具有發(fā)電效率高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、耐高溫、成本低等特點(diǎn),非常適合變速風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電條件,國內(nèi)外關(guān)于SRG用于小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電研究仍然較少[3-7,]。本文從一臺(tái)12/10 SRG出發(fā),建立如圖1所示的垂直軸開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),SRG與垂直軸風(fēng)力機(jī)同軸相連,一定風(fēng)速(小于基速)下,風(fēng)輪機(jī)驅(qū)動(dòng)SRG,在控制器的作用下,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。其中,控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心,要想實(shí)現(xiàn)SRG穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)其進(jìn)行建模仿真是很有必要的。
圖1 垂直軸開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖
圖2是12/10開關(guān)磁阻電機(jī)截面圖。從圖2中可以觀察出電機(jī)除定子上有繞組外,無任何永磁體、碳刷、滑環(huán)、換向器等。SRG運(yùn)行依照“最小磁阻原理”,按照轉(zhuǎn)子位置信息與一定邏輯關(guān)系切換定子極繞組通電,即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子的凸極與定子凸極對(duì)齊時(shí),兩者之間氣隙最小如圖2D-D′,此刻磁阻最小;當(dāng)轉(zhuǎn)子的凹槽與定子凸極對(duì)齊時(shí),此時(shí)磁阻到達(dá)最大如圖2A-A′。圖3給出了SRG常用的半橋非對(duì)稱功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(此處只給出A相)。當(dāng)連接A相的功率管S1,S2閉合時(shí),A相繞組通過直流電源Us進(jìn)行勵(lì)磁,最近的轉(zhuǎn)子極(5-5′)會(huì)受到磁力線扭曲產(chǎn)生的切向磁拉力從非對(duì)齊位置(電感最小)向?qū)R位置(電感最大)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)S1,S2同時(shí)關(guān)斷后,繞組電流經(jīng)D1,D2續(xù)流回饋至電源,實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行。在運(yùn)動(dòng)過程中,伴隨磁阻變化,形成電磁轉(zhuǎn)矩。忽略開關(guān)管壓降,S1,S2導(dǎo)通,電路電壓方程:
圖2 12/10開關(guān)磁阻電機(jī)截面圖
圖3 典型半橋非對(duì)稱結(jié)構(gòu)
式中:Vs為勵(lì)磁電壓,ik為相電流(k=1,2,3,4,5,6),Rs為繞組內(nèi)阻,ψ為磁鏈。電磁轉(zhuǎn)矩可以基于以下方程計(jì)算得到:
式中:W′為磁共能;θ為轉(zhuǎn)子位置;Te為電磁轉(zhuǎn)矩。定義相繞組磁鏈為ψ(i,θ),相繞組電感為L(i,θ),即有:ψ(i,θ)=L(i,θ)i,式(1)可變?yōu)?
若忽略磁鏈飽和,即相電感與電流無關(guān),則有:
由式(6)可知,轉(zhuǎn)矩的極性與電流大小無關(guān),由電流相對(duì)于電感的位置決定。圖4描述了電動(dòng)狀態(tài)與發(fā)電狀態(tài)下的理想電感相對(duì)于電流位置關(guān)系(12/10轉(zhuǎn)子周期為36°)。 當(dāng)時(shí),即 T的方向e與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向一致,產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)運(yùn)行;當(dāng)時(shí),即T的方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反,產(chǎn)生e負(fù)轉(zhuǎn)矩,電機(jī)在短時(shí)間勵(lì)磁過后實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行。圖5給出了對(duì)應(yīng)SRG發(fā)電運(yùn)行時(shí)相電流理論波形。
圖4 電動(dòng)與發(fā)電運(yùn)行下的開關(guān)狀態(tài)
圖5 SRG發(fā)電運(yùn)行時(shí)相電流波形
SRG主要控制方式分為低速運(yùn)行下的電流斬波(CCC)以及高速運(yùn)行下角度位置控制(APC)。在低速運(yùn)行時(shí),反電動(dòng)勢此時(shí)很小,若對(duì)應(yīng)的相繞組在定、轉(zhuǎn)子軸線不對(duì)齊位置附近時(shí)打開,則隨著轉(zhuǎn)子到達(dá)兩者對(duì)齊時(shí),會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電流。因此,低速時(shí)采取電流斬波控制方式對(duì)電流大小進(jìn)行限制。隨著轉(zhuǎn)速逐漸增大,繞組內(nèi)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢隨之增大。由于電流的大小被限制,由式(6)可知,轉(zhuǎn)矩只能通過改變角度(開通角、關(guān)斷角)。因而,在高速運(yùn)行要采取角度位置控制[8-10]。
SRG建模方法有線性模型、準(zhǔn)線性模型和非線性模型[11-12]。第一種方法忽略了電機(jī)飽和邊緣效應(yīng),即電感與電流無關(guān)。準(zhǔn)線性模型近對(duì)定、轉(zhuǎn)子齒重合時(shí)電感飽和問題近似處理。這兩種方法無法準(zhǔn)確反映電機(jī)運(yùn)行時(shí)真實(shí)的電流、轉(zhuǎn)矩參數(shù),對(duì)后續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考價(jià)值不大,只能用于定性分析。因此,建立SRG非線模型是很有必要的。常用的非線性建模主要有非線性電感法與磁參法。電感、磁鏈參數(shù)可使用有限元分析或者實(shí)測得到,建模流程如圖6所示。
圖6 非線性SR電機(jī)建模流程
本文基于MATLABR2015a/Simulink對(duì)12/10開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模,采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略,對(duì)電機(jī)的發(fā)電性能進(jìn)行研究。通過改變相關(guān)參數(shù)的大小,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)模型包括主電路,12/10SRG本體,電流斬波模塊(CCC)、位置檢測模塊、換相控制模塊等,如圖7所示。
圖7 六相12/10開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整體模型
SRG本體模塊,為整體模型的關(guān)鍵部分。假設(shè)各相參數(shù)對(duì)稱且忽略相間互感耦合、開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)壓降,則各相具有相同的電磁特性,相鄰之間只是彼此錯(cuò)開6°機(jī)械角。由式(5)可得任一相(k相)電流滿足式(7),即:
其在Simulink中的模型如圖8所示(以A相為例)。A+,A-接主電路上下2個(gè)功率管,PA接該相位置信號(hào),Ta是A相瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。2個(gè)Look_up Table模塊分別是L(i,θ),Te(i,θ),電感、電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)均通過Ansoft有限元電磁分析獲得。為節(jié)約時(shí)間,本次有限元分析只需獲取12/10 SRG半個(gè)周期(18°)數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中如圖9所示,另外半個(gè)周期數(shù)據(jù)根據(jù)對(duì)稱性可得。主電路(功率變化器)采用圖3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[13]給出了SRG作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)矩平衡方程:
圖8 12/10 SRG A相本體模型
圖9 12/10樣機(jī)電感、電磁轉(zhuǎn)矩
圖10是基于上述方程關(guān)于轉(zhuǎn)子位置檢測模塊。圖11模型的主要功能是將任一瞬時(shí)位置映射為轉(zhuǎn)子相對(duì)A,B,C,D,E,F 6相繞組的位置角PA~PF。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)本體各相繞組建模的表格數(shù)據(jù)均按一個(gè)轉(zhuǎn)子角周期 36°給出,且考慮到 L(i,θ)、Te(i,θ)關(guān)于角度位置分布的對(duì)稱性,PA~PF均歸算為在[0,36°]。比例環(huán)節(jié)(r2d)的作用將位置角由弧度轉(zhuǎn)化為度;rem函數(shù)實(shí)現(xiàn)被除數(shù)除以除數(shù)(36°)取余數(shù)的功能;Switch的功能:若2號(hào)輸入端信號(hào)≥0,則輸出該端口信號(hào),否則,輸出該端信號(hào)與36°之和。限于篇幅,圖中只給出PA,其余各相均在r2d后減去6°,然后同A相一樣。當(dāng)θon≤PK≤θoff,(K=A~F),則該相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出為1,否則為0。
圖10 位置檢測模塊
圖11 角度換算模塊
圖12 為采用滯環(huán)控制的CCC模塊。通過設(shè)置滯環(huán)閾值,可以對(duì)相電流進(jìn)行斬波,限制電流過大。斬波信號(hào)與位置檢測模塊輸出Signal邏輯與后作為主電路通斷的最終控制信號(hào)。
圖12 電流斬波模塊
圖13 為電流斬波限模塊,電容兩端的輸出電壓Uc與Ugive的偏差信號(hào),經(jīng)PID調(diào)節(jié)后,作為電流斬波上限iref,防止起動(dòng)時(shí)相電流過大。飽和模塊的作用可以將斬波限限定在一定范圍內(nèi)。
圖13 斬波限模塊
垂直軸風(fēng)力機(jī)實(shí)踐過程中可以彌補(bǔ)水平軸風(fēng)力機(jī)的受風(fēng)問題,其具有的空氣動(dòng)力學(xué)特性,滿足貝茨定理:
式中:Pm為風(fēng)力機(jī)捕獲功率;ρ為空氣密度,ρ=1.25 kg/m3;A=πR2為風(fēng)力機(jī)受風(fēng)面積;Cp為無量綱功率利用系數(shù);V為風(fēng)速。文獻(xiàn)[15]給出了Cp與槳距角β與葉尖速比λ的函數(shù)關(guān)系,即:
式中:K1~K8為常數(shù),λ=ωmR/v,代入式(9)到式(12)。而風(fēng)力機(jī)捕獲功率:
式中:ωm為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,而風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過式(13)計(jì)算得到。根據(jù)式(9~式(13)可得到圖14的風(fēng)力機(jī)模塊。
圖14 風(fēng)力機(jī)模塊
本文以3 kW 12/10 SRG進(jìn)行仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)參數(shù)如下,SRG:繞組內(nèi)阻Rs=0.072 Ω,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.001 3 kg·m2,摩擦系數(shù)B=0.008 13,Us=110 V,負(fù)載 RL=5 Ω。 電流滯環(huán)閾值 0.1 A,θon=16°,θoff=27°。 風(fēng)力機(jī)參數(shù):β=0°(此時(shí) λ=8.1),R=1.25 m,模擬風(fēng)速v=3 m/s,得到穩(wěn)定風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td=2.1 N·m,仿真結(jié)果如圖15所示。通過圖15(a)可知,在風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行相電流波形與圖5理論波形基本一致。A相電磁轉(zhuǎn)矩波形符合式(6),證實(shí)系統(tǒng)非線性建模的正確性。圖15(b)給出了在固定風(fēng)速下的發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)6相合成電磁轉(zhuǎn)矩,從波形可以看出轉(zhuǎn)矩存在小范圍脈動(dòng),也符合開關(guān)磁阻電機(jī)特點(diǎn)。圖15(c)與圖15(d)給出了開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波形與轉(zhuǎn)速波形,可以看出當(dāng)電機(jī)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定時(shí),輸出功率亦趨于穩(wěn)定,功率紋波由SRG的功率變化器換相
圖15 系統(tǒng)仿真結(jié)果
以及非線性引起的,符合實(shí)際。
隨著我國對(duì)風(fēng)電的投入與戰(zhàn)略調(diào)整,分布式風(fēng)力發(fā)電逐漸興起,但是大規(guī)模分布式發(fā)電系統(tǒng)作為獨(dú)立電源并網(wǎng)會(huì)造成整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)、負(fù)荷損耗、電能污染等問題[14],因而小型離網(wǎng)分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究與工程應(yīng)用成為必然趨勢。
本文介紹的垂直軸開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),充分發(fā)揮垂直軸風(fēng)機(jī)不存在水平軸“迎面受風(fēng)”問題及風(fēng)能利用率高的優(yōu)勢,利用了SRG結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、發(fā)電效率高特點(diǎn)。同時(shí)基于Simulink平臺(tái)采用半周期電感法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行非線性建模,通過對(duì)參數(shù)的設(shè)置與調(diào)節(jié),模擬低風(fēng)速下系統(tǒng)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。詳實(shí)地給出了給出了系統(tǒng)各個(gè)模塊,整套方法可參考性較高,SRG在風(fēng)力機(jī)直驅(qū)下,相電流、轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果與理論波性基本相符。工程實(shí)現(xiàn)中,系統(tǒng)發(fā)出來的電能加以調(diào)節(jié)可以直接就地消納,亦可以供給蓄電池儲(chǔ)能,仿真結(jié)果可為垂直軸開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)試提供理論依據(jù)。
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