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基于開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電研究

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剖析了SRG體系構(gòu)造特征，一般的發(fā)電機(jī)是恒速運(yùn)行方式，即在一定轉(zhuǎn)速下輸出一定的電壓，效率不高。本文在仿真軟件中構(gòu)造了SRG的理論模型，并在變轉(zhuǎn)速下發(fā)電運(yùn)行。仿真結(jié)果表明，通過(guò)合理的控制方法，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可以變速恒頻發(fā)電，有效提高風(fēng)能的利用效率。

SRG理論模型；風(fēng)能效率；變速發(fā)電；軟件建模仿真

0 引言

開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)稱SRG，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子是內(nèi)凸結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子是外凸結(jié)構(gòu)。兩者都由若干對(duì)極構(gòu)成，極對(duì)數(shù)的不同使兩者之間形成轉(zhuǎn)差角。SRG現(xiàn)較多使用四相（8／6極）結(jié)構(gòu)[1-7]。20世紀(jì)末，英國(guó)學(xué)者最先進(jìn)行SRG的技術(shù)開(kāi)發(fā)[5]。一般的發(fā)電機(jī)是恒速運(yùn)行方式，即在一定轉(zhuǎn)速下輸出一定的電壓，效率不高。現(xiàn)實(shí)情況是風(fēng)速并不恒定，需要用變速發(fā)電機(jī)提高風(fēng)能利用效率，即變速恒頻發(fā)電。SRG因其較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，在變速發(fā)電上有較好的應(yīng)用價(jià)值[2]。

1 開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)首先由風(fēng)能變?yōu)闄C(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)稱SRD，如圖1所示。變化的風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，SRG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也是時(shí)刻變化的。位置檢測(cè)器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置發(fā)送位置信號(hào)到控制系統(tǒng)，同時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)各相的電流電壓信號(hào)控制開(kāi)關(guān)元件的通斷，此時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出直流電，經(jīng)過(guò)逆變后回饋電網(wǎng)[1,2]。

風(fēng)速變化帶動(dòng)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化，SRG轉(zhuǎn)速因而不恒定，但控制SRG參數(shù)的變化，能實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定。即實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。

圖1 SRD發(fā)電示意圖

2 SRG發(fā)電運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)原理

SRG運(yùn)轉(zhuǎn)的基本原理是轉(zhuǎn)子每對(duì)極的中心線要與定子每對(duì)極的勵(lì)磁磁場(chǎng)中心線重合。電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，控制定子各對(duì)極順時(shí)針或逆時(shí)針的勵(lì)磁順序就可以控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向[8-10]。當(dāng)風(fēng)輪機(jī)帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在定子上加一個(gè)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反勵(lì)磁順序就能發(fā)出電能。

圖2為四相（8／6極）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)的原理圖。轉(zhuǎn)子在風(fēng)力推動(dòng)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)由外接電源U勵(lì)磁。根據(jù)轉(zhuǎn)子1-1'，2-2'，3-3'三對(duì)極和定子A-A1，B-B1，C-C1，D-D1四對(duì)極的相對(duì)位置，控制開(kāi)關(guān)S1，S2閉合時(shí)間，定子各級(jí)磁路產(chǎn)生相反的轉(zhuǎn)矩。從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中。S1，S2斷開(kāi)后，磁場(chǎng)能通過(guò)續(xù)流二極管D1，D2轉(zhuǎn)化為電能回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行。

圖2 SRG發(fā)電運(yùn)行原理圖

3 SRG建模

3.1 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)動(dòng)機(jī)理論模型

相電壓方程：

相磁鏈方程：

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

SRG是一個(gè)非線性系統(tǒng)，要用非線性方法才能精確分析其特性。

非線性相電感方程[7]：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

總電磁轉(zhuǎn)矩方程：

相電流方程：

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和電流之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和電流之間的關(guān)系

3.2 SRG的MATLAB/Simulink仿真模型

根據(jù)以上的開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)理論公式，構(gòu)建了開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在MATLAB／Simulink軟件中的四相8/6極仿真模型，如圖4所示。由PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)給定電壓和輸出電壓之間的電壓差，將開(kāi)關(guān)信號(hào)加到主開(kāi)關(guān)中，達(dá)成PWM控制。

SRG四相總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，一相內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 仿真運(yùn)行和分析

給定參數(shù)為：Lmin=15mH，Lmax=100mH，R=0.12Ω，n=1200r/ min，P=700W，J=0.0015kg·m2，F(xiàn)=0.0173。四相8／6極，采用不對(duì)稱半橋式功率變換器。仿真結(jié)果如圖7~圖10所示。

圖4 SRG四相8/6極仿真圖

圖5 SRG四相總體結(jié)構(gòu)圖

圖6 SRG一相內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖7 一相電流波形

圖8 一相轉(zhuǎn)矩波形

圖9

圖10

建模得到的SRG一相電流波形，一相轉(zhuǎn)矩波形如圖7、圖8所示，其與理論波形一致。

變速恒頻發(fā)電就是當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，能輸出頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。

如圖9a所示，系統(tǒng)給定500V，轉(zhuǎn)速1200r／min建壓，在t=0.05s時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，圖9b為該情況下的輸出電壓波形；圖10a所示，系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速600r／min建壓，在t=0.05s時(shí)，轉(zhuǎn)速上升，圖10b為該情況下的輸出電壓波形。由仿真結(jié)果可以看出，電壓在閉環(huán)PI調(diào)節(jié)下，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，輸出電壓可以基本保持穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在仿真軟件中創(chuàng)建了SRG的理論模型，并仿真其在變速運(yùn)行時(shí)的發(fā)電情況。仿真結(jié)果表明，通過(guò)合理的控制方法，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可以變速恒頻發(fā)電，有效提高風(fēng)能的利用效率。變速恒頻發(fā)電是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵核心技術(shù)，對(duì)SRG風(fēng)電系統(tǒng)的研究具有很大的實(shí)用意義。

[1]盧林輝．小型開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)研究[D]．北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015.

[2]林顯軍，程小華．開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[J]．電機(jī)與控制應(yīng)用，2011,38（9）：46-50.

[3]江偉，王建波．模糊自適應(yīng)PID控制在開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,26(5)：41-45.

[4]高一然，孫玉環(huán)．開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器設(shè)計(jì)[J]．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013(10)：13-15.

[5]常曉輝．開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[6]曹言敬，張旭隆，王峰．基于Buck變換器的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制[J]．電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2015（1）：6-9.

[7]韓建定，張東升．開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器優(yōu)化研究[J]．微電機(jī)，2016（11）：51-56.

[8] DW Choi,SI Byun,YH Cho. A study on the maximum power control method of switched reluctance generator for wind turbine. [J].IEEE Transactions on Magnetics,2014,50(1):1-4.

[9] C Sikder,I Husain,Y Sozer. Switched reluctance generator control for optimal power generation with current regulation[J].Industry Applications IEEE Transactions on,2014,50(1):307-316.

[10] B Ganji,M Heidarian,J Faiz. Modeling and analysis of switched reluctance generator using finite element method [J].Ain Shams Engineering Journal,2015,6(1):85-93.