華 敏，莫岳平，徐 迪，劉志偉

（揚州大學，江蘇 揚州225127）

隨著科技的進步，全球的環(huán)境問題也愈加嚴重。石油與煤炭儲量大幅降低，同時化石燃料產(chǎn)生了大量的空氣污染與溫室氣體。風能作為一種清潔的可再生能源，蘊含巨大的能量，取之不盡用之不竭，開發(fā)投入低、技術要求不高、應用方便，在全球能源日益枯竭的情況下越來越受到世界各國的重視[1]。而開關磁阻發(fā)電機（Switched Reluctance Generator，SRG）作為一種新型特種電機，在風力發(fā)電領域有著其他電機無法取代的優(yōu)點。

（1）SRG構造簡單，與其他常見電機不同的是本類型發(fā)電機繞組只存在于定子極，降低了銅損，提高了發(fā)電效率。盤式外轉子開關磁阻發(fā)電機（Disc Outer-rotor Switched Reluctance Generator，DOSRG）可以直接將轉子與風力機聯(lián)接，用于直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)，提高了傳動效率。（2）SRG勵磁與發(fā)電共用一套繞組，通過功率變換器導通與關短的配合實現(xiàn)勵磁與發(fā)電的分時控制。控制方便，容錯性強。（3）SRG直接通過功率變換器輸出直流，無需逆變即可進行遠距離直流輸電減小能量損耗[2]。（4）SRG發(fā)出的電能可以通過電能變換后直接并網(wǎng)，也可以儲存在蓄電池中。如果蓄電池與SRG構成同一個系統(tǒng)，在風能充足時，SRG發(fā)出的電能給負載供電，多余的電能由蓄電池儲存，而電機的勵磁電源由蓄電池提供。風力不足的情況下，若SRG不足以給負載供電時，則由蓄電池給負載供電。這體現(xiàn)出了SRG分時控制的優(yōu)勢。（5）SRG按照定、轉子位置可分為內轉子與外轉子結構，按照外觀可分為柱體式與盤式。DOSRG軸向尺寸短而徑向尺寸大，體積小，結構緊湊。在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用是近些年來的新發(fā)展方向。

本文對電機及功率變換器進行Maxwell&Simplorer建模并聯(lián)合仿真，通過改變轉速來模擬風速變化，觀察電機在變轉速下的性能。

1 基于Maxwell的DOSRG電機建模及靜態(tài)特性分析

本文采用Maxwell有限元分析軟件對三相16/12極結構的開關磁阻發(fā)電機進行建模，主要包含電機及功率變換器，如圖1所示。表1所示為電機的基本參數(shù)。

將電機2D模型用AutoCAD按上述要求繪制后導入Maxwell中進行靜態(tài)磁場分析，功率變換器中采用他勵模式給電機提供勵磁。圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）、圖1（d）分別給出了電機四個主要位置的磁力線分布圖：轉子極前沿與定子極前沿重合位置；定、轉子極中心線重合位置；最小電感位置，即轉子極間中心線與定子磁極中心線重合位置；轉子極前沿與定子極中心線重合位置。

圖1 磁力線分布圖

當轉子與定子磁極處于對齊位置（即最大電感位置）時磁力線分布較為合理，漏磁很少，隨著定、轉子極逐漸分開，漏磁逐漸增多，轉子極與定子極間對齊時漏磁很多。

2 DOSRG系統(tǒng)動態(tài)建模與仿真

利用Maxwell&Simplorer構建DOSRG系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，其中電機本體采用Maxwell所搭建模型。功率變換器中開關管選用IGBT，續(xù)流二極管采用二極管模塊Diode，負載選用純電阻，取值19.36Ω[3]。如圖2所示。

圖2 SRG功率變換器模型

SRG的控制是基于對IGBT的開通關斷，是對電機不同相進行觸發(fā)實現(xiàn)的。將功率變換器各路按照給定的順序不斷開通與關斷，從而實現(xiàn)電機各相正常運轉發(fā)電[4]。一個轉子極距為22.5度，本文3相12/16結構電機功率變換電路使用單相導通的方式，分別按照A-B-C-A的順序導通。

為了防止電流過大導致電機損壞，這里采用電流斬波控制。斬波上下限分別為30A、29A。如圖3所示。

圖3 SRG換相及斬波電路

3 DOSRG系統(tǒng)仿真與分析

利用Maxwell&Simplorer構建的DOSRG系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，對電機相電流、負載電壓以及銅損、鐵損進行仿真，仿真結果如圖4至圖7所示。

圖4 相電流波形圖

圖7 鐵損波形圖

以上仿真結果表明電機的發(fā)電功率約在2.6kW左右，而發(fā)電效率在85%。整體發(fā)電功率密度以及效率較高。

為了更準確地模擬電機實際運行環(huán)境，本文將風速輸入設定為周期性函數(shù)n=250+100sin（0.8πt），仿真周期設定為5s，采樣兩個周期。轉速-時間波形以及電機功率-時間波形見圖8、圖9。

從圖8、圖9可以看出電機的輸出功率變化走勢基本與轉速波形吻合。且電機在150rpm～350rpm之間發(fā)電功率整體較高，可看出本次電機設計較為成功。

圖8 轉速-時間波形圖

圖9 動態(tài)轉速輸出功率波形圖

4 結論

本文運用Maxwell&Simplorer聯(lián)合仿真的形式對已設計電機進行驗證，通過角度位置控制和斬波控制對電機進行勵磁和限流，仿真結果顯示電機性能良好?？紤]到風速的突變性，對電機進行變轉速聯(lián)合仿真分析，電機在150rpm～350rpm間發(fā)電狀況較好。

圖5 負載電壓波形圖

圖6 銅損波形圖