開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓優(yōu)化控制

曾武，易靈芝，禹云輝，戴彪，戴建利

（湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湘潭 411105）

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓優(yōu)化控制

曾武，易靈芝，禹云輝，戴彪，戴建利

（湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湘潭 411105）

針對因風(fēng)速突變開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)對輸出電壓難以快速動態(tài)穩(wěn)定控制的問題，提出一種PWM斬波控制與角度位置控制相結(jié)合的復(fù)合控制方法，在中低風(fēng)速時采用PWM斬波模式控制，當(dāng)風(fēng)速突變時，切換至角度位置模式控制，通過控制策略實現(xiàn)這兩種模式運行的平滑切換，優(yōu)化了對輸出電壓的控制，有效抑制了因風(fēng)速突變對輸出電壓的影響，該方法動態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，魯棒性強。仿真實驗和研制的模擬裝置實驗驗證了復(fù)合控制方法的可行性和有效性。

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；PWM斬波控制；角度位置控制；復(fù)合控制

近些年，能源危機日益加劇，風(fēng)能作為清潔可再生新能源已經(jīng)受到各國高度重視。開關(guān)磁阻發(fā)電機SRG（switched reluctance generator）具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子無刷、無繞組，耐高溫，無永久磁體、沒有去磁效應(yīng)，容錯能力優(yōu)良，低速性能好，轉(zhuǎn)動慣量小，變速范圍寬等優(yōu)勢，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域較其他發(fā)電系統(tǒng)有著獨特的優(yōu)勢，在陸海、家庭風(fēng)力發(fā)電和在汽車起動/發(fā)電等系統(tǒng)中也具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)是一種新型中低速直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)，各高校和研究院對其展開了大量理論研究，很多文獻(xiàn)局限于對單一的控制模式的研究。脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）斬波控制模式通過對相電流PWM斬波控制，在中低風(fēng)速時對輸出電壓有良好的脈動抑制效果，角度位置控制模式是通過對開通角與關(guān)斷角的調(diào)節(jié)來控制對相電流的控制，相電流對這兩個角度相當(dāng)敏感，電機轉(zhuǎn)速越高，電壓輸出品質(zhì)越好，適合高風(fēng)速場合[2]?？梢?，由于風(fēng)速的不確定性與突變性，單一控制模式不能滿足中低速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要求，本文采用復(fù)合控制，綜合PWM斬波控制與角度位置控制的優(yōu)點，通過兩種控制模式的平滑切換，優(yōu)化輸出電能質(zhì)量。

1 SRG發(fā)電原理及數(shù)學(xué)模型

SRG的定子、轉(zhuǎn)子凸極均由普通硅鋼片疊壓組成[3]?，F(xiàn)以A相為例說明其發(fā)電原理。當(dāng)外部電源us對定子A-A′供電，開關(guān)S1、S2閉合，二極管VD1、VD2關(guān)斷，磁力線先后通過定子極A→氣隙→轉(zhuǎn)子極1′→鐵心→轉(zhuǎn)子極3′→定子極A′，形成閉合回路，如圖1中虛線所示，此時直流電源us對A相繞組充電，繞組吸收電能；當(dāng)開關(guān)S1、S2斷開，繞組電流經(jīng)過續(xù)流二極管VD1、VD2形成閉合回路，可以繼續(xù)流通，此時能量從定子繞組回饋至直流電源。在SRG的勵磁階段與發(fā)電階段，電機轉(zhuǎn)子極與定子極軸線的相對位置不斷交錯與完全重合，以磁場為媒介形成磁鏈進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。通過依次控制每相開關(guān)器件的通/斷時刻，將儲存的磁場能和電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能，回饋給電源、儲能電容或負(fù)載，從而實現(xiàn)發(fā)電。一個周期內(nèi)的機械能、電能之間的轉(zhuǎn)換過程可以用圖2所示的磁鏈-電流-位置角（ψ-i-θ）坐標(biāo)平面內(nèi)的運動軌跡來描述。

圖1 開關(guān)磁阻發(fā)電機結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of switched reluctance generator

圖2 開關(guān)磁阻發(fā)電機ψ-i-θ軌跡Fig.2Switched reluctance generator ψ-i-θ path

忽略相間互感及損耗，對于SRG任意的相電流i和轉(zhuǎn)子極軸線與定子軸線的相對位置角θ，繞組電感L為電流與轉(zhuǎn)子相對位置的連續(xù)非線性周期函數(shù)，其周期T=2π/Nr，繞組電感可展開為傅里葉級數(shù)的非線性表達(dá)式[4～7]為

式中，Nr為轉(zhuǎn)子極數(shù)，相電感可進(jìn)一步簡化為直流分量和基波分量之和，式（1）可簡化為

式中，Lmax（i）、Lmin（i）分別為定子凸極軸線與轉(zhuǎn)子凸極軸線重合、定子凸極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽軸線重合位置處的電感值。Lmax（i）和Lmin（i）值對非線性建模有著關(guān)鍵影響。

根據(jù)總機械能與繞組儲能的計算方法，推導(dǎo)出SRG輸出平均轉(zhuǎn)矩為

式中：m為SRG的相數(shù)；τ為阻容放電時間系數(shù)，τ=RC。可見，輸出平均轉(zhuǎn)矩取決于電流i（θ）與繞組電感對于轉(zhuǎn)子相對位置角θ的變化率。

當(dāng)SRG工作在自勵模式下發(fā)電運行時，實際繞組電感值存在，電路平衡方程式為

式中：iG為SRG發(fā)出的各相電流值之和；ic為充電電流；R為等效負(fù)載；計算輸出電壓uc為

式（1）～式（6）為在Matlab仿真平臺上進(jìn)行SRG不同工作模式的仿真研究，提供數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)。

2 SRG工作模式

SRG控制方式靈活多樣，但目標(biāo)是優(yōu)化輸出電壓，即發(fā)電機所發(fā)出的電壓可以保持幅值平穩(wěn)，且諧波含量理想的直流輸出。SRG發(fā)電系統(tǒng)主要是通過調(diào)節(jié)勵磁電流達(dá)到對開關(guān)磁阻發(fā)電機輸出電壓或功率的控制，主要有電流斬波控制CCC（current chopping control）、脈寬調(diào)制PWM控制，以及角度位置控制APC（angle position control）3種方式[7，8]。在實際發(fā)電現(xiàn)場，風(fēng)速具有不確定與突變性，SRG轉(zhuǎn)速處于極其不穩(wěn)定狀態(tài)，如果采用單一方式控制相電流，輸出電壓品質(zhì)會受到影響。PWM斬波控制和APC控制相結(jié)合，可有效解決風(fēng)速突變對輸出電壓的影響問題。

在中低風(fēng)速范圍內(nèi)采用PWM斬波模式，通過一個比例-積分-微分PID（proportion integration differentiation）控制器，改變PWM占空比，調(diào)節(jié)SRG瞬時相電流，實現(xiàn)輸出電壓閉環(huán)控制，見圖3。實際輸出電壓u0反饋送至輸入端，與給定電壓值u0*比較，差值信號εr驅(qū)動電壓閉環(huán)控制器的工作，輸出的電流值ic作為SRG相電流的參考給定信號，對SRG的相電壓、相電流、以及功率變換器開通角、關(guān)斷角等各項指標(biāo)進(jìn)行整定，輸出通過濾波環(huán)節(jié)進(jìn)行一次有效的高頻諧波剔除，得到新的輸出電壓；再一次送入輸入端與給定電壓u0*進(jìn)行比較，開始新一輪的反饋過程，周而復(fù)始，不斷循環(huán)，直至達(dá)到最終平衡狀態(tài)，發(fā)電機輸出電壓達(dá)到給定電壓值u0*并穩(wěn)定輸出。

圖3 PWM斬波電壓閉環(huán)控制原理Fig.3Schematic of PWM chopper voltage closed-loop control

PWM斬波單一模式的控制精度有待提高，在電機轉(zhuǎn)子速度較大或突變時，控制響應(yīng)較慢，輸出電壓脈動較大。針對該問題，本文提出一種復(fù)合控制方法，增加APC環(huán)節(jié)，協(xié)助電壓反饋，優(yōu)化輸出電壓。PWM斬波和角度位置復(fù)合控制電壓閉環(huán)原理如圖4所示，具體控制策略如下：在平穩(wěn)的中低轉(zhuǎn)速范圍情況下，SRG工作于PWM斬波模式，電壓閉環(huán)控制器能夠?qū)敵鲭妷哼M(jìn)行有效的反饋控制，包括穩(wěn)定電壓、減小紋波，使輸出電壓盡可能地逼近于給定電壓，此時輸出電壓反饋至輸入端，得到的電壓跟蹤偏差εr接近于0，不足以驅(qū)動模糊APC單元工作，模糊APC單元處于保持狀態(tài)。

圖4 PWM斬波和角度位置復(fù)合控制電壓閉環(huán)原理Fig.4Voltage closed-loop schematic diagram of the PWM chopper voltage and angle position composite control

當(dāng)風(fēng)速突變，SRG工作條件突變導(dǎo)致無法進(jìn)入PWM斬波模式時，電壓閉環(huán)控制器無法工作，輸出電壓出現(xiàn)偏離，實際輸出電壓與給定值進(jìn)行比較后，電壓偏差信號會足夠大，驅(qū)動模糊APC環(huán)節(jié)開始工作，根據(jù)輸入電壓偏差εr與其變化率Δεr的大小及變化趨勢，進(jìn)行模糊整定后，輸出導(dǎo)通角θd，與SRG當(dāng)前轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的最優(yōu)關(guān)斷角進(jìn)行運算，得到開通角θon，同當(dāng)前最優(yōu)關(guān)斷角θoff一起作用于功率變換器，直接對相電流的波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對輸出電壓的控制；輸出電壓通過濾波環(huán)節(jié)濾除高頻分量，反饋至輸入端，與給定電壓比較，新的電壓偏差驅(qū)動模糊APC單元工作，再一次重復(fù)上述角度閉環(huán)控制過程，周而復(fù)始，不斷循環(huán)，直到電壓達(dá)到給定值并穩(wěn)定為止。這種復(fù)合控制方法，可以實現(xiàn)相電流由PWM模式自行切換至APC模式，并能平滑過渡。

3 仿真實現(xiàn)

以前面所推導(dǎo)的SRG非線性數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在Matlab仿真平臺上進(jìn)行相應(yīng)的仿真實驗。在電機不同轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速突變時，以輸出電壓作為性能指標(biāo)分析。包括對不同模式下的SRG控制閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)電特性即在一定風(fēng)速下的穩(wěn)態(tài)運行特性和風(fēng)速突變瞬時的動態(tài)響應(yīng)特性分析。

3.1 基于單一PWM斬波模式的SRG電壓閉環(huán)控制仿真實驗

基于PWM斬波模式的SRG電壓閉環(huán)控制仿真模型見圖5。主要仿真參數(shù)設(shè)置如下：給定電壓為150 V，給定輸入風(fēng)力驅(qū)動分別維持在1.8 N·m（轉(zhuǎn)速為300 r/min）、2.2 N·m（轉(zhuǎn)速為600 r/min）和在1.5 s時刻風(fēng)力驅(qū)動由1.8 N·m突增至2.2 N·m（相應(yīng)轉(zhuǎn)速變化情況為300 r/min突變至600r/min），SRG輸出電壓uc仿真結(jié)果見圖6。

圖5 單一PWM斬波模式的SRG電壓閉環(huán)控制仿真模型Fig.5SRG voltage closed-loop control simulation model based on single PWM chopping mode

圖6 基于單一PWM斬波模式的SRG電壓閉環(huán)控制仿真模型的仿真結(jié)果Fig.6Simulation results based on SRG voltage closedloop control simulation model

圖7 基于PWM斬波和APC復(fù)合控制的SRG電壓閉環(huán)控制仿真模型Fig.7SRG voltage dosed-loop control simulation model based on PWM chopping and APC control

3.2 基于PWM斬波和APC復(fù)合控制的SRG電壓閉環(huán)控制仿真實驗

基于SRG非線性數(shù)學(xué)模型和電壓閉環(huán)控制，增加模糊APC控制環(huán)節(jié)，根據(jù)前文具體控制策略，中低風(fēng)速時靠PID控制器調(diào)節(jié)相電路斬波值，當(dāng)風(fēng)速聚變時，無法進(jìn)入電流斬波模式，通過模糊APC環(huán)節(jié)對開通角進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整的控制方案，控制輸出電壓，實現(xiàn)平滑切換。搭建的基于PWM斬波和APC復(fù)合控制的SRG電壓閉環(huán)控制仿真模型，見圖7。為了便于直觀體現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速對輸出電壓的影響情況，給定穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為300r/min、600r/min和給定變化轉(zhuǎn)速按圖8（a）做階躍變化，在不同情況下SRG系統(tǒng)輸出電壓uc仿真實驗結(jié)果見圖8（b）～（d）。

對比圖6和圖8的仿真結(jié)果，可以看出開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在單一PWM斬波電壓閉環(huán)模式控制下，系統(tǒng)輸出電壓能夠保持電壓給定值，但電機轉(zhuǎn)速增大或轉(zhuǎn)速突變時，電壓脈動較大，過渡時間較長，系統(tǒng)魯棒性與穩(wěn)定性不理想。基于PWM斬波和APC復(fù)合控制的SRG電壓閉環(huán)控制，在電壓閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)引入APC控制單元后能快速動態(tài)響應(yīng)，控制精度加強，有效地穩(wěn)定電壓。

圖8 基于PWM斬波和APC復(fù)合控制的SRG電壓閉環(huán)控制仿真模型的仿真結(jié)果Fig.8Simulation results based on PWM and APC composite control of the SRG voltage closed-loop control simulation model

4 基于DSP的SRG模擬裝置及實驗結(jié)果

設(shè)計的低速直驅(qū)SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖9，在實驗平臺上進(jìn)行改造，研制了基于DSP的低速直驅(qū)開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬裝置，見圖10。選用實驗平臺上的直流原動機及其轉(zhuǎn)速控制電路、測速裝置、和示波器等，增加開關(guān)磁阻發(fā)電機、及研制設(shè)計的功率變換器、DSP控制器及外圍電路等裝置。SRG參數(shù)如下：額定功率750 W；額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min；相數(shù)為4；定/轉(zhuǎn)子極數(shù)為8/6。直流電機參數(shù)如下：額定功率800 W；額定轉(zhuǎn)速1 600 r/min。利用實驗平臺上整流電路將交流電源整流給直流原動機供電，通過對其調(diào)壓調(diào)速模擬風(fēng)速變化，模擬低變速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電。發(fā)電運行時，給定電機轉(zhuǎn)速在300～1 500 r/min之間變化，充分逼真地模擬實際風(fēng)速的隨機性、不確定性和爆發(fā)性的特點，見圖11所示電機瞬間位置檢測信號波形圖。出于實驗設(shè)備的安全性考慮，程序設(shè)定的目標(biāo)電壓為150 V，關(guān)斷角固定為48°，開通角受電壓反饋閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。輸出電壓波形穩(wěn)定在150 V，見圖12，放大后波形見圖13，可見輸出電壓具有相對較小的電壓脈動。

圖9 低速直驅(qū)SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.9Block diagram of low-speed direct-drive SRG wind power system

圖10 變速直驅(qū)開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬裝置Fig.10Direct drive switched reluctance variable speed wind power system simulator

圖11 轉(zhuǎn)速約600 r/min時位置檢測信號波形Fig.11Position detection signal waveforms when the speed of about 600 r/min

圖12 SRG輸出電壓波形Fig.12SRG output voltage waveform

圖13 輸出電壓放大波形Fig.13Amplification waveform of the output voltage

5 結(jié)語

作為新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在中、低變速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電方面，較其他風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)勢?；赑WM斬波和APC復(fù)合控制，綜合了兩種控制模式的優(yōu)勢，較好地解決風(fēng)速具有不確定與突變性的實際問題，優(yōu)化SRG風(fēng)電系統(tǒng)輸出電壓。通過MATLAB仿真實驗，和基于DSP的低變速直驅(qū)SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬裝置進(jìn)行的變風(fēng)速發(fā)電實驗，表明該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)較簡單，成本低，可靠性高，在工程實踐中具有一定的指導(dǎo)意義。

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Output Voltage Optimal Control of Switched Reluctance Wind Power Generator System

ZENG Wu，YI Ling-zhi，YU Yun-hui，DAI Biao，DAI Jian-li
（College of Information Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China）

Aiming at solving the problem that the switched reluctance wind power generator system can hardly control the output voltage fast，dynamically and stably when the wind speed changes abruptly，this paper proposes a new compound control method which combines the pulse width modulation（PWM）chopping control and angle position control together.Under middle and low wind speed，PWM chopping control is used.When the wind changes abruptly，the angle position control starts to work.By using these control strategies，the smooth transition of these two control modes can be achieved and the output voltage control is optimized which can effectively inhibit the influence to output voltage when the wind changes abruptly.This method responds fast and dynamically，with accurate control and strong robustness.The simulation experiment and the developed experimental device prove the feasibility and effectiveness of this compound control method.

switched reluctance wind power generation system；PWM chopping control；angle position control；compound control

TM352

A

1003-8930（2013）03-0061-06

曾武（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電氣工程。Email：zeng2009wu@163.com

2012-02-13；

2012-03-23

湖南省自科基金項目（11JJ8004）；湖南省科技廳項目（2010FJ3116）；湖南省教育廳重點項目（10A114）

易靈芝（1966—），女，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子與電力傳動。Email：ylzwyh@yahoo.com

禹云輝（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電氣工程。Email：kaileyuyunhui@sina.com