趙紫帆 孫冠群 楊建青 陸燕燕 周志文

一種開關磁阻風力發(fā)電機新型功率變換系統(tǒng)及其最大功率點跟蹤控制

趙紫帆1孫冠群1楊建青2陸燕燕2周志文2

（1. 中國計量大學現(xiàn)代科技學院，浙江 義烏 322002； 2. 國網(wǎng)新疆綜合能源服務有限公司，烏魯木齊 830011）

本文提出一種含可變勵磁電壓且所用開關管數(shù)量最少的新型開關磁阻發(fā)電機（SRG）功率變換器，包括主電路與勵磁電路，主電路所需主開關管數(shù)量等于SRG相繞組數(shù)，勵磁電路僅需一只主開關管。勵磁電壓與發(fā)電電壓解耦并可獨立控制，勵磁電路無隔離環(huán)節(jié)并與主電路共地。在分析該新型功率變換器工作原理的基礎上，針對變速風力發(fā)電應用工況，提出基于該新型功率變換器的SRG最大功率點跟蹤（MPPT）控制方法，給出勵磁電壓擾動控制策略。通過對一臺750W的SRG樣機系統(tǒng)進行仿真和實驗，并與基于共上管功率變換器的SRG風電MPPT進行比較，結果表明本文所述新型SRG功率變換器的輸出功率增加1.5%，驗證了該新型功率變換器及其控制策略的有效性。

開關磁阻發(fā)電機（SRG）；最少開關功率變換器；主電路；勵磁電路；變勵磁電壓；最大功率點跟蹤（MPPT）控制

0 引言

開關磁阻（switched reluctance, SR）電機本體結構極其簡單堅固，尤其是轉子上無繞組和永磁體，成本低、耐高溫高速，多年來在電機本體優(yōu)化設計提升效率等方面不斷取得進步，應用前景越來越受到業(yè)界期待[1-6]。但是，SR電機作為發(fā)電機使用即開關磁阻發(fā)電機（switched reluctance generator, SRG）相對少見。SR電機運行中需根據(jù)定轉子凸極之間的相對位置關系，選定需通電工作的相繞組，各相繞組根據(jù)定轉子相對位置關系分時通電，SRG工作時每相繞組內部又細分為勵磁和發(fā)電兩個階段，按順序分時進行，因此SRG的相繞組功率變換系統(tǒng)顯得格外重要。由于其原理特殊，與傳統(tǒng)電機變流器存在本質區(qū)別，所以SRG的功率變換器自成一系[4, 7-8]。

目前，已出現(xiàn)的SRG功率變換器中，應用最廣泛的為不對稱半橋結構的功率變換器拓撲[9-11]，其缺點之一為開關管用量（2，為相繞組數(shù)）大，增加了開關損耗和控制復雜度，降低了可靠性。為了減少開關管用量，出現(xiàn)了共上管功率變換器拓撲[1, 12-13]，主開關用量為1.5。

近年來出現(xiàn)的基于可變勵磁電壓的功率變換器[13-15]，在功率變換器主電路上增加了勵磁電路，但勵磁電路所需開關管數(shù)量仍然較多，甚至還需要隔離變壓器或因不共地增加其他部件，增大了功率變換器的體積、質量、成本及損耗，削弱了變勵磁本身帶來的優(yōu)勢。所以，發(fā)揮SR電機本體優(yōu)勢，開發(fā)結構簡單、高效率、低損耗的變勵磁功率變換器是SRG系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

在SRG控制方面，提高SRG發(fā)電效率和效益，尤其是變速風電工況下的最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）控制性能等，成為研究的重要方向之一[8, 13-17]。但是，常用的不對稱半橋結構功率變換器在基礎控制性能提升方面，技術上到越來越多的瓶頸。當前，針對應用新型可變勵磁功率變換器提升SRG控制性能的研究已獲得一些成果[13-15]，但存在變量多、控制過程復雜，以及功率變換器開關管較多或需要隔離環(huán)節(jié)等缺點。其中，文獻[13]提出的基于變勵磁共上管功率變換器和勵磁電壓擾動法的SRG風電MPPT控制在簡易化方面取得了一定的進展。

本文首先提出一種新型功率變換器，勵磁電壓可變且無隔離環(huán)節(jié)，勵磁電壓與發(fā)電電壓共地并解耦，是目前為止所需電力電子開關管數(shù)量最少的功率變換器，在分析該新型功率變換器工作過程的基礎上，針對風電工況下的MPPT需求，改進勵磁電壓擾動法作為控制方法，并與基于共上管功率變換器的SRG系統(tǒng)進行對比，最后經仿真和實驗驗證該功率變換器的有效性。

1 功率變換器

SRG系統(tǒng)中最常見的功率變換器結構為不對稱半橋結構，如圖1所示[1]。

圖1 不對稱半橋功率變換器

圖2 共上管功率變換器

圖2為他勵型共上管功率變換器，文獻[13]采用此拓撲結構并結合變勵磁電壓電路構成SRG功率變換器。該功率變換器中的開關管K1和K4相對其余四只開關管，需承擔兩倍的工作量，開關工作不均衡。

本文提出新型最少開關功率變換器，其主電路實現(xiàn)了所用主開關管和主二極管數(shù)量均等于繞組數(shù)，相對于不對稱半橋功率變換器，開關管用量減少50%。最少開關功率變換器主電路如圖3所示[18]。

圖3 最少開關功率變換器主電路

以M相繞組為例，勵磁時，開關管K1和K2閉合導通，進入發(fā)電階段時，斷開K1和K2，M相繞組續(xù)流發(fā)電輸出。對于四相SRG，四只開關管工作均衡。

圖4 可變勵磁最少開關功率變換器

1.1 最少開關功率變換器主電路分析

以M相為例，主電路工作過程如圖5所示。

根據(jù)SRG實時轉子位置信息，當相繞組M需投入工作時，首先開關管K1和K2閉合導通，勵磁電流沿K1→M→K2給相繞組M勵磁，此為勵磁階段，如圖5（a）所示。勵磁階段結束時關斷K1和K2，電流沿VD1→M→VD2輸出電能，此為發(fā)電階段，如圖5（b）所示。其余相繞組工作過程與M相繞組類似。

圖5 主電路工作過程（以M相為例）

根據(jù)SRG工作原理及圖4和圖5可見，每只開關管和二極管均分別為兩相繞組的勵磁和發(fā)電提供通路，相對不對稱半橋式結構，開關管和二極管的利用率均提升了一倍。

圖6 四相SRG各相繞組電感及其導通順序

由圖1～圖6，以及不對稱半橋功率變換器、共上管功率變換器和新型最少開關功率變換器主電路工作原理可知，它們的勵磁階段、發(fā)電階段及換相過程極其相似，但開關管用量依次減少，且保留了傳統(tǒng)功率變換器在SRG運行控制中的多數(shù)優(yōu)點。

1.2 最少開關功率變換器勵磁電路分析

勵磁電路根據(jù)文獻[19]提出的準cuk變換器結構改進而來，依據(jù)開關管K5的開關狀態(tài)，將工作過程分為兩種模式。勵磁電路工作模式如圖7所示。

開關管K5的PWM占空比需始終大于0.5[19]，當K5閉合導通時，二極管VD5截止，電感1和2被充電，電容器3放電，此時1和3的電壓和電流都相等，如圖7（a）所示。當K5斷開時，VD5導通，1和2放電，3被充電，如圖7（b）所示。

圖7 勵磁電路工作模式

2 基于勵磁電壓擾動的控制策略

擾動觀察法是SRG變速風電MPPT控制中一種無需測量風速的方法，主要通過施加轉速信號擾動，在面對頻繁的風速變化時，反應慢、誤差大。后來出現(xiàn)了勵磁電流擾動法，但其模型復雜且只能在勵磁階段間接控制相電流。本文應用最新的勵磁電壓擾動策略并加以改進。

根據(jù)貝茲證明，勵磁電壓擾動法的風力發(fā)電系統(tǒng)功率-轉速變化關系如圖8所示，功率-轉速曲線表現(xiàn)為凸函數(shù)，故必存在最大功率點。勵磁電壓添加擾動量后，根據(jù)檢測得到的轉速和功率變化，決定下一步勵磁電壓的擾動量方向和大小。如果擾動后檢測到輸出功率增加，說明勵磁電壓的擾動量的方向是正確的；如果轉速增大，表明此時風力機的機械功率大于SRG的輸出功率。假設在時刻施加一個勵磁電壓擾動量后，出現(xiàn)以上兩種情況，都需要在+l時刻增加勵磁電壓，從而增大勵磁電流并增大輸出功率；如果+l時刻檢測到SRG的轉速和輸出功率均比時刻的值減小，則表明勵磁電壓應向相反方向調節(jié)，使轉速增大，從而維持系統(tǒng)的運行并增加輸出功率。

圖8 風力發(fā)電系統(tǒng)功率-轉速變化關系

勵磁電壓變化公式為

系數(shù)根據(jù)擾動時功率變化量的不同而不同，距離最大功率點越遠，擾動后功率變化量越大，則取較大值，反之取較小值，當接近最大功率時，采用較小的值。由于擾動后功率和轉速都降低，需要反向擾動，為避免出現(xiàn)轉速不穩(wěn)定，反向擾動值需要更大，從而能快速進入正向追蹤，所以值應明顯大于1。

功率變換系統(tǒng)所需的信息控制器收集實時勵磁電壓、發(fā)電電壓、輸出功率及轉子位置和速度等信息，結合發(fā)電輸出端的給定需求，輸出針對全部五個可控開關管的控制信號。SRG風電系統(tǒng)控制原理如圖9所示。

圖9 SRG風電系統(tǒng)控制原理

3 仿真分析

首先，針對新型功率變換器和共上管功率變換器主電路進行仿真，仿真結果如圖10所示。

圖10 主電路仿真結果

圖10（a）和圖10（b）分別為低速、高速時，針對一相繞組，開關角和勵磁電壓相等時的仿真結果，可以看出，最少開關功率變換器與共上管功率變換器幾乎無差別。勵磁時當相電流超上限值后，迅速調低K5的占空比以降低勵磁電壓，進而使相電流降低。勵磁電路仿真結果如圖11所示。

圖11 勵磁電路仿真結果

基于變速風電工況，設置風速為6m/s時啟動，考慮風速階躍上升、漸變、負載階躍、風速階躍下降幾種情況，變速仿真結果如圖12所示。

圖12 變速仿真結果

圖12（a）為風速變化情況，其中12s時突加負載，將原本負載電阻100W增加到120W。從圖12（b）可見，在啟動、風速變化、負載變化時的超調、穩(wěn)定所需時間，以及穩(wěn)定后功率值等方面，最少開關功率變換器與共上管功率變換器的差別很小。

4 實驗驗證

在已有SRG系統(tǒng)專用實驗平臺上搭建相關實驗系統(tǒng)，如圖13所示。

功率變換器1為共上管功率變換器及其信息控制器，功率變換器2為最少開關功率變換器及其信息控制器。直流電動機轉速模擬風速，由控制器及上位機對其控制，即輸入預模擬的風力曲線后，上位機讀取測功機的轉速和轉矩值，再通過控制器來調整直流電動機的轉速，使其符合風力機曲線。其他相關參量與仿真時相同。實驗結果如圖14所示。

圖13 實驗系統(tǒng)

圖14 實驗結果

5 結論

本文提出的最少開關功率變換器總主開關管和總主二極管用量均為+1個，是目前SRG變勵磁功率變換系統(tǒng)領域中功率開關器件用量最少的拓撲之一，在提升變換效率的同時，降低了開關損耗、控制復雜度和系統(tǒng)成本。同時，變勵磁時無需隔離變壓器，勵磁電壓與發(fā)電電壓解耦且共地，可進一步減少損耗和成本。針對風電工況，提出了改進型勵磁電壓擾動控制策略，通過仿真與實驗，與共上管功率變換器進行比較，在MPPT控制性能方面，新型功率變換器使發(fā)電輸出功率增加1.5%以上，在中小功率等級領域具有一定的實際意義，尤其是面向直流微電網(wǎng)領域的應用。

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A novel power conversion system and its maximum power point tracking control for switched reluctance wind turbine

ZHAO Zifan1SUN Guanqun1YANG Jianqing2LU Yanyan2ZHOU Zhiwen2

(1. College of Modern Science and Technology, China JILIANG University, Yiwu, Zhejiang 322002;2. State Grid Corporation of China Xinjiang Comprehensive Energy Service Co., Ltd, Urumqi 830011)

A new type of switched reluctance generator (SRG) power converter with variable excitation voltage and the minimum number of switching tubes to date is proposed. The power converter consists of a main circuit and an excitation circuit. The main circuit requires a number of main switching tubes equal to the number of SRG phase windings, while the excitation circuit requires only one main switching tube. The excitation voltage is decoupled from the generation voltage and can be controlled independently. The excitation circuit has no isolation links and is common to the main circuit. The operating principle and control process of the new power converter are analyzed. A maximum power point tracking (MPPT) control method for the SRG based on this new power converter is proposed for variable speed wind power generation applications, and an excitation voltage disturbance control strategy is given. A 750W SRG prototype system is simulated and experimented, and compared with the SRG wind power MPPT based on a power converter with shared upper switching tubes. The results show a 1.5% increase in SRG output power based on this new variable excitation minimum switches power converter. The effectiveness of this new power converter is confirmed.

switched reluctance generator (SRG); power converter with minimum number of switches; main circuit; excitation circuit; variable excitation voltage; maximum power point tracking (MPPT) control

2023-11-14

2023-01-03

趙紫帆（2001—），女，山西省陽泉市人，碩士研究生，主要從事檢測技術與自動控制、電力電子技術研究。

浙江省自然科學基金項目（LY20E070006）