馮治崗，馬春燕，陳 燕，竇銀科，侯向楠

(太原理工大學(xué)，太原030024)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)進(jìn)程的加快，人類對能源的需求量逐年遞增，導(dǎo)致地球上的一次能源的存儲(chǔ)量逐漸在減少。目前，各國科學(xué)家把目光都轉(zhuǎn)向新能源的研究與開發(fā)，波浪能作為一種無污染、可再生能源而備受重視。海浪發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)量大、成本低、無污染，波能發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施一旦建成，可以低成本運(yùn)營［1］，研究海浪發(fā)電對解決目前的能源緊張問題意義重大。

傳統(tǒng)的波能發(fā)電系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，由于需要中間轉(zhuǎn)換裝置，故首先將上下浮動(dòng)的波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后再轉(zhuǎn)換成電能［2］。該發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行不穩(wěn)定、后期維護(hù)難度大，且效率相對低下。而由直線發(fā)電機(jī)組成的直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)，省去了中間轉(zhuǎn)換裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且效率相對較高。因此，目前研究波浪能發(fā)電的學(xué)者都將研究重點(diǎn)放在直線發(fā)電機(jī)本體上。

近年來，直線永磁發(fā)電機(jī)已經(jīng)受到各國研究人員的廣泛關(guān)注，并在永磁直線發(fā)電機(jī)方面取得突破性的成果。直線永磁發(fā)電機(jī)魯棒性好、效率高，但制造成本高，且電機(jī)內(nèi)嵌的永磁體易受海底環(huán)境影響，很難適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境［3］，在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。

為此，設(shè)計(jì)一種雙邊直線開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)。雙邊直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(以下簡稱DLSRG)繼承了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，遵循磁阻最小原理［4－6］，動(dòng)、定子結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、每一相可獨(dú)立運(yùn)行［7］，具有無磨損、無潤滑、可以實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)［8］。與直線永磁發(fā)電機(jī)相比，DLSRG 動(dòng)、定子均由硅鋼片疊壓而成，無需安裝永磁體，受外界環(huán)境影響較小，可在高溫、高腐蝕等惡劣環(huán)境下運(yùn)行，更加適用于海浪發(fā)電。通過Ansoft Maxwell 軟件設(shè)計(jì)模型，在Ansoft Simplorer 中搭建功率電路和控制電路，將Maxwell 中的DLSRG 模型導(dǎo)入Simplorer 中，對DLSRG 系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真研究。

1 DLSRG 結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

1．1 DLSRG 結(jié)構(gòu)

直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)由旋轉(zhuǎn)式開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)演變而來，按照結(jié)構(gòu)不同可以分為單邊式結(jié)構(gòu)和雙邊式結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在10 A 直流勵(lì)磁下，單邊式結(jié)構(gòu)和雙邊式結(jié)構(gòu)直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在運(yùn)行一個(gè)發(fā)電周期內(nèi)，徑向磁拉力的變化波形如圖2 所示。

圖2 徑向磁拉力

由圖2 可以看出:在前半周期，單邊式結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)徑向磁拉力在逐漸增大，在定子齒中心線與動(dòng)子齒中心線對齊時(shí)達(dá)到了最大值為6．5 kN，在后半周期，單邊式結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)徑向磁拉力在逐漸減小;雙邊式結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)徑向磁拉力在整個(gè)發(fā)電周期內(nèi)在0 附近波動(dòng)，且脈動(dòng)較小，與單邊式結(jié)構(gòu)相比可忽略不計(jì)。

在10 A 直流勵(lì)磁下，單邊式結(jié)構(gòu)和雙邊式結(jié)構(gòu)直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在運(yùn)行一個(gè)發(fā)電周期內(nèi)橫向磁拉力的變化波形如圖3 所示。由圖3 可以看出，在定子齒和動(dòng)子齒中心線對齊的位置，兩種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)橫向磁拉力為0，在前半周期和后半周期，雙邊式結(jié)構(gòu)橫向磁拉力值是單邊式結(jié)構(gòu)的2 倍。

圖3 橫向磁拉力

通過上述分析可知，單邊直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中徑向磁拉力脈動(dòng)較大，使得電機(jī)振動(dòng)和噪聲較大，對機(jī)械強(qiáng)度要求較高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低發(fā)電機(jī)使用壽命。然而，雙邊式結(jié)構(gòu)則與之不同，雙邊式在結(jié)構(gòu)上對稱，動(dòng)子上受到的徑向磁拉力可相互抵消，徑向磁拉力合力脈動(dòng)較小，所以DLSRG 能有效降低單邊徑向磁拉力影響。在同一激勵(lì)源下，雙邊式結(jié)構(gòu)橫向磁拉力大于單邊式結(jié)構(gòu)，因此，DLSRG 在發(fā)電階段吸收的機(jī)械能大于單邊直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。

由此可見，DLSRG 性能優(yōu)于單邊式直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，采用雙邊式結(jié)構(gòu)較為合理。

1．2 DLSRG 運(yùn)行原理

DLSRG 機(jī)電一體化示意圖如圖4 所示。

圖4 DLSRG 機(jī)電一體化示意圖

S1 和S2 代表IGBT，D1 和D2 是續(xù)流二極管，U是直流電壓源。DLSRG 的動(dòng)子由浮球拖動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)，通過動(dòng)子位置檢測裝置實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)，使得發(fā)電機(jī)在勵(lì)磁和發(fā)電續(xù)流狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，當(dāng)某相繞組上下橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，相繞組中流過電流，發(fā)電機(jī)進(jìn)入勵(lì)磁狀態(tài)，勵(lì)磁結(jié)束后開關(guān)管關(guān)斷。由于電感儲(chǔ)能的作用，繞組中的電流不會(huì)立刻消失，電流會(huì)通過續(xù)流二極管向負(fù)載或者蓄電池輸送電能，DLSRG的凸極效應(yīng)使得相繞組成為有源線圈，工作在發(fā)電狀態(tài)，向外輸出電能。

2 DLSRG 發(fā)電系統(tǒng)仿真分析

2．1 DLSRG 發(fā)電系統(tǒng)建模

在Maxwell 中建立2D 有限元模型，在Simplorer中建立功率模塊。發(fā)電機(jī)定子齒槽等寬，定子齒寬、槽寬、軛寬、齒高分別為33 mm，33 mm，21 mm，74 mm，動(dòng)子齒寬、槽寬、軛寬、齒寬分別為33 mm，33 mm，24 mm，19 mm，繞組采用三相獨(dú)立集中式繞組，該電機(jī)的額定功率為1 kW，額定速度為1 m/s，發(fā)電機(jī)動(dòng)子、定子均采用DW465－50 硅鋼片疊壓而成。DLSRG 發(fā)電系統(tǒng)仿真如圖5 所示。

圖5 DLSRG 發(fā)電系統(tǒng)仿真圖

圖5 中，主電路采用三相不對稱半橋，主電路實(shí)現(xiàn)了相與相間完全隔離。主電路中開關(guān)元件采用IGBT，D1～D2 為續(xù)流二極管，負(fù)載端并聯(lián)了濾波電容C，勵(lì)磁電源端串聯(lián)二極管，有效地將勵(lì)磁電源和負(fù)載區(qū)分開，在一個(gè)發(fā)電周期可以看作勵(lì)磁回路和發(fā)電回路?？刂茊卧捎肅 模塊，在C 模塊中編寫程序，從而輸出所需觸發(fā)脈沖信號(hào)。

2．2 DLSRG 三相發(fā)電仿真分析

選取負(fù)載為10 Ω，勵(lì)磁電壓為100 V，選取最優(yōu)開通位置和關(guān)斷位置分別為18．5 mm 和49．5 mm，仿真時(shí)間設(shè)為100 ms，仿真步長設(shè)為2 ms，Maxwell和Simplorer 的仿真時(shí)間、步長保持一致，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為1 m/s。發(fā)電功率、勵(lì)磁功率以及三相發(fā)電電壓(無濾波)如圖6、圖7 以及圖8 所示。無濾波輸出量脈動(dòng)較大，不能直接供給負(fù)載，因此需在負(fù)載端加儲(chǔ)能電容，負(fù)載端并聯(lián)1 800 μF 儲(chǔ)能電容時(shí)的發(fā)電電壓波形如圖9 所示，從圖9 中可以看出，發(fā)電電壓在初始時(shí)刻迅速增長到70 V，在0．2 ～0．3 s發(fā)電電壓增長放緩，在0．3 ～0．5 s 發(fā)電電壓逐漸降低，在0．5 s 后，發(fā)電電壓基本穩(wěn)定在62 V。

圖6 發(fā)電功率

圖7 勵(lì)磁功率

圖8 發(fā)電電壓(無濾波)

圖9 發(fā)電電壓(濾波)

通過上述對仿真結(jié)果的分析可知，本文的DLSRG 具有連續(xù)發(fā)電能力，可滿足實(shí)際需求。

2．3 發(fā)電功率分析

直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)一個(gè)發(fā)電周期分為勵(lì)磁和發(fā)電兩個(gè)階段，對直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電仿真后，可對一個(gè)發(fā)電周期的勵(lì)磁階段消耗的電能、發(fā)電階段發(fā)出的電能以及外部輸入的機(jī)械能進(jìn)行估算，進(jìn)而估算DLSRG 的效率，具體計(jì)算方法如下。

(a)勵(lì)磁階段消耗電能計(jì)算方法:在該階段，勵(lì)磁電源給DLSRG 提供勵(lì)磁電壓時(shí)消耗的電能定義為W1，可表示［9］:

式中:P1為勵(lì)磁階段消耗的功率;ton1和toff1為DLSRG 相繞組勵(lì)磁的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間;son1和soff1為DLSRG 相繞組勵(lì)磁的開通位置和關(guān)斷位置;υ和s 分別為DLSRG 動(dòng)子的移動(dòng)速度和位移。

(b)發(fā)電階段發(fā)出電能計(jì)算方法:該階段的橫向電磁力與外部機(jī)械力反向，吸收外部機(jī)械能，將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能供給負(fù)載，則負(fù)載所消耗的電能就是DLSRG 所發(fā)出的電能，定義為W2，可表示:

式中:P2為DLSRG 發(fā)電階段輸出的功率;ton2和son2分別為DLSRG 下一個(gè)發(fā)電周期相繞組勵(lì)磁的開通時(shí)間和開通位置。

(c)外部輸入機(jī)械能計(jì)算方法:發(fā)電階段將吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，吸收的機(jī)械能定義為W3，可表示:

式中:f 為DLSRG 處于發(fā)電階段時(shí)動(dòng)子受到的橫向拉力。則DLSRG 一個(gè)發(fā)電周期的發(fā)電效率如下:

DLSRG 相繞組電感曲線一個(gè)周期為66 mm，0～33 mm 屬于電動(dòng)勵(lì)磁狀態(tài)，33 ～66 mm 屬于發(fā)電狀態(tài)。DLSRG 動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為1 m/s，負(fù)載為10 Ω，最優(yōu)開通位置為18．5 mm，最優(yōu)關(guān)斷位置為49．5 mm，選取勵(lì)磁電壓U1為100 V。

DLSRG 某相繞組單發(fā)電周期勵(lì)磁階段消耗的功率P1隨動(dòng)子位移變化的曲線圖如圖10 所示。從圖10 中可以看出，DLSRG 僅在繞組導(dǎo)通時(shí)消耗勵(lì)磁電壓，即son1為18．5 mm，soff1為49．5 mm 時(shí)消耗勵(lì)磁功率。DLSRG 某相繞組單發(fā)電周期發(fā)出的功率P2隨動(dòng)子位移變化的曲線圖如圖11 所示。從圖11中可以看出，DLSRG 在該發(fā)電周期勵(lì)磁結(jié)束后開始發(fā)電，在下一發(fā)電周期勵(lì)磁開始時(shí)停止發(fā)電，即son2為84．5 mm。DLSRG 單發(fā)電周期動(dòng)子上受到的橫向力隨位移變化的曲線圖如圖12 所示。

圖10 DLSRG 勵(lì)磁功率

圖11 DLSRG 發(fā)電功率

圖12 DLSRG 橫向受力

通過估算可得到DLSRG 的發(fā)電效率約為80.6%。

3 DLSRG 系統(tǒng)控制策略研究

圖13 為DLSRG 系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制框圖，該控制策略是以發(fā)電機(jī)輸出電壓與給定值偏差為零為最終控制目標(biāo)。雙閉環(huán)控制包括電壓PID 閉環(huán)控制和DLSRG 自身的位置閉環(huán)控制。圖3 中，通過位置信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制;Ug是控制系統(tǒng)中的電壓給定信號(hào)，Uf是實(shí)際測量的電壓信號(hào)，二者進(jìn)行偏差處理，然后通過PID 調(diào)節(jié)給出對應(yīng)的PWM 信號(hào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓跟隨給定值變化，當(dāng)給定值為一個(gè)定值時(shí)，輸出恒定電壓，最終實(shí)現(xiàn)DLSRG 系統(tǒng)的恒壓控制目標(biāo)。

圖13 DLSRG 雙閉環(huán)控制框圖

雙閉環(huán)控制策略仿真系統(tǒng)勵(lì)磁電壓為100 V，純電阻負(fù)載選為10 Ω，仿真步長設(shè)置為2 ms，為了充分反映雙閉環(huán)控制策略的可行性，仿真時(shí)間設(shè)為200 ms，動(dòng)子運(yùn)行速度設(shè)為1 m/s，位置控制為外環(huán)控制，選取最優(yōu)開通/關(guān)斷位置(開通位置為18．5 mm，關(guān)斷位置為49．5 mm)。圖14 為位置外環(huán)和電壓PID 內(nèi)環(huán)恒壓控制的電壓仿真波形。圖14(a)為給定值60 V 的電壓輸出波形，從圖14(a)中可以看出，在發(fā)電機(jī)開始運(yùn)行45 ms 后輸出電壓趨于穩(wěn)定;圖14(b)為給定值45 V 的電壓輸出波形，從圖14(b)中可以看出，在40 ms 后輸出電壓趨于穩(wěn)定。

圖14 恒壓控制輸出電壓仿真波形

通過對上述仿真結(jié)果的分析可以看出，采用雙閉環(huán)控制策略可實(shí)現(xiàn)恒壓控制，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4 結(jié) 語

通過聯(lián)合仿真研究可知，DLSRG 系統(tǒng)具有連續(xù)發(fā)電能力，且發(fā)電效率較高，約為80．6%，符合設(shè)計(jì)要求。在位置控制內(nèi)環(huán)和PID 電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略下，DLSRG 系統(tǒng)穩(wěn)定輸出，可控性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓控制。