垂直軸開關磁阻風力發電系統研究

譚 陽，吳國慶，2，茅靖峰，張旭東，2

(1.南通大學,南通226019 2.江蘇省風能應用技術工程中心,南通226019)

0 引 言

風能是一種清潔、可再生的能源。隨著傳統的一次能源消耗越來越大,各國都在致力于新能源的開發和利用。根據2014中國風電發展報告,截至2013年底,我國以裝機總容量(91.3 GW)超過美國(61.09 GW)、德國(34.250 MW)穩居第一,同時年風電裝機容量的速度也領先全球其他各國。然而,由于我國風電建設過于集中,離高負荷中心較遠,缺乏調峰能力,單一的電源結構使得“棄風限電”現象愈加突出。在此背景下,小型離網分布式風力發電系統的提出,已被國家納入風力發電的重要的組成部分。目前,我國在此方面實行與歐美國家相比較為落后[1]。如何使得風能在當地電力消費中的比例提升,實現邊遠地區分布式離網型風電的發展,已成為能源行業和相關高校研究熱點。

目前,同步發電機、異步發電機、雙饋感應電機,被廣泛用作分布式風力發電機使用,但是這些傳統電機存在諸如調速范圍窄、效率低、體積大、維護成本高等缺陷[2]。相較于傳統發電機,開關磁阻發電機(以下簡稱SRG)沒有永磁體并且轉子上無繞組,結構簡單可靠,同時具有發電效率高、起動轉矩小、耐高溫、成本低等特點,非常適合變速風力驅動發電條件,國內外關于SRG用于小型離網風力發電研究仍然較少[3-7,]。本文從一臺12/10 SRG出發,建立如圖1所示的垂直軸開關磁阻風力發電系統,SRG與垂直軸風力機同軸相連,一定風速(小于基速)下,風輪機驅動SRG,在控制器的作用下,將機械能轉化成電能。其中,控制器是整個系統的核心,要想實現SRG穩定運行,對其進行建模仿真是很有必要的。

圖1 垂直軸開關磁阻風力發電系統圖

2 開關磁阻發電機(SRG)

2.1 SRG發電原理與數學模型

圖2是12/10開關磁阻電機截面圖。從圖2中可以觀察出電機除定子上有繞組外,無任何永磁體、碳刷、滑環、換向器等。SRG運行依照“最小磁阻原理”,按照轉子位置信息與一定邏輯關系切換定子極繞組通電,即可實現持續運轉。當轉子的凸極與定子凸極對齊時,兩者之間氣隙最小如圖2D-D′,此刻磁阻最小;當轉子的凹槽與定子凸極對齊時,此時磁阻到達最大如圖2A-A′。圖3給出了SRG常用的半橋非對稱功率變換器拓撲結構(此處只給出A相)。當連接A相的功率管S1,S2閉合時,A相繞組通過直流電源Us進行勵磁,最近的轉子極(5-5′)會受到磁力線扭曲產生的切向磁拉力從非對齊位置(電感最小)向對齊位置(電感最大)運動。當S1,S2同時關斷后,繞組電流經D1,D2續流回饋至電源,實現發電運行。在運動過程中,伴隨磁阻變化,形成電磁轉矩。忽略開關管壓降,S1,S2導通,電路電壓方程:

圖2 12/10開關磁阻電機截面圖

圖3 典型半橋非對稱結構

式中:Vs為勵磁電壓,ik為相電流(k=1,2,3,4,5,6),Rs為繞組內阻,ψ為磁鏈。電磁轉矩可以基于以下方程計算得到:

式中:W′為磁共能;θ為轉子位置;Te為電磁轉矩。定義相繞組磁鏈為ψ(i,θ),相繞組電感為L(i,θ),即有:ψ(i,θ)=L(i,θ)i,式(1)可變為:

若忽略磁鏈飽和,即相電感與電流無關,則有:

由式(6)可知,轉矩的極性與電流大小無關,由電流相對于電感的位置決定。圖4描述了電動狀態與發電狀態下的理想電感相對于電流位置關系(12/10轉子周期為36°)。 當時,即 T的方向e與轉子的旋轉方向一致,產生正轉矩,電動運行;當時,即T的方向與轉子的旋轉方向相反,產生e負轉矩,電機在短時間勵磁過后實現發電運行。圖5給出了對應SRG發電運行時相電流理論波形。

圖4 電動與發電運行下的開關狀態

圖5 SRG發電運行時相電流波形

2.2 SRG控制方式與非線性建模

SRG主要控制方式分為低速運行下的電流斬波(CCC)以及高速運行下角度位置控制(APC)。在低速運行時,反電動勢此時很小,若對應的相繞組在定、轉子軸線不對齊位置附近時打開,則隨著轉子到達兩者對齊時,會產生很高的尖峰電流。因此,低速時采取電流斬波控制方式對電流大小進行限制。隨著轉速逐漸增大,繞組內產生的反電動勢隨之增大。由于電流的大小被限制,由式(6)可知,轉矩只能通過改變角度(開通角、關斷角)。因而,在高速運行要采取角度位置控制[8-10]。

SRG建模方法有線性模型、準線性模型和非線性模型[11-12]。第一種方法忽略了電機飽和邊緣效應,即電感與電流無關。準線性模型近對定、轉子齒重合時電感飽和問題近似處理。這兩種方法無法準確反映電機運行時真實的電流、轉矩參數,對后續控制系統的設計參考價值不大,只能用于定性分析。因此,建立SRG非線模型是很有必要的。常用的非線性建模主要有非線性電感法與磁參法。電感、磁鏈參數可使用有限元分析或者實測得到,建模流程如圖6所示。

圖6 非線性SR電機建模流程

3 MATLAB/Simulink系統仿真

3.1 系統建模

本文基于MATLABR2015a/Simulink對12/10開關磁阻風力發電系統進行建模,采用電壓外環、電流內環雙閉環控制策略,對電機的發電性能進行研究。通過改變相關參數的大小,實現系統的最佳發電運行狀態。整個系統模型包括主電路,12/10SRG本體,電流斬波模塊(CCC)、位置檢測模塊、換相控制模塊等,如圖7所示。

圖7 六相12/10開關磁阻風力發電系統整體模型

SRG本體模塊,為整體模型的關鍵部分。假設各相參數對稱且忽略相間互感耦合、開關管導通時壓降,則各相具有相同的電磁特性,相鄰之間只是彼此錯開6°機械角。由式(5)可得任一相(k相)電流滿足式(7),即:

其在Simulink中的模型如圖8所示(以A相為例)。A+,A-接主電路上下2個功率管,PA接該相位置信號,Ta是A相瞬時轉矩。2個Look_up Table模塊分別是L(i,θ),Te(i,θ),電感、電磁轉矩數據均通過Ansoft有限元電磁分析獲得。為節約時間,本次有限元分析只需獲取12/10 SRG半個周期(18°)數據,然后將數據導入MATLAB中如圖9所示,另外半個周期數據根據對稱性可得。主電路(功率變化器)采用圖3拓撲結構。文獻[13]給出了SRG作為風力發電機時轉矩平衡方程:

圖8 12/10 SRG A相本體模型

圖9 12/10樣機電感、電磁轉矩

圖10是基于上述方程關于轉子位置檢測模塊。圖11模型的主要功能是將任一瞬時位置映射為轉子相對A,B,C,D,E,F 6相繞組的位置角PA～PF。因為發電機本體各相繞組建模的表格數據均按一個轉子角周期 36°給出,且考慮到 L(i,θ)、Te(i,θ)關于角度位置分布的對稱性,PA～PF均歸算為在[0,36°]。比例環節(r2d)的作用將位置角由弧度轉化為度;rem函數實現被除數除以除數(36°)取余數的功能;Switch的功能:若2號輸入端信號≥0,則輸出該端口信號,否則,輸出該端信號與36°之和。限于篇幅,圖中只給出PA,其余各相均在r2d后減去6°,然后同A相一樣。當θon≤PK≤θoff,(K=A～F),則該相驅動信號輸出為1,否則為0。

圖10 位置檢測模塊

圖11 角度換算模塊

圖12 為采用滯環控制的CCC模塊。通過設置滯環閾值,可以對相電流進行斬波,限制電流過大。斬波信號與位置檢測模塊輸出Signal邏輯與后作為主電路通斷的最終控制信號。

圖12 電流斬波模塊

圖13 為電流斬波限模塊,電容兩端的輸出電壓Uc與Ugive的偏差信號,經PID調節后,作為電流斬波上限iref,防止起動時相電流過大。飽和模塊的作用可以將斬波限限定在一定范圍內。

圖13 斬波限模塊

垂直軸風力機實踐過程中可以彌補水平軸風力機的受風問題,其具有的空氣動力學特性,滿足貝茨定理:

式中:Pm為風力機捕獲功率;ρ為空氣密度,ρ=1.25 kg/m3;A=πR2為風力機受風面積;Cp為無量綱功率利用系數;V為風速。文獻[15]給出了Cp與槳距角β與葉尖速比λ的函數關系,即:

式中:K1～K8為常數,λ=ωmR/v,代入式(9)到式(12)。而風力機捕獲功率:

式中:ωm為風機轉速,而風機的驅動轉矩可通過式(13)計算得到。根據式(9～式(13)可得到圖14的風力機模塊。

圖14 風力機模塊

3.2 仿真結果與分析

本文以3 kW 12/10 SRG進行仿真驗證。系統參數如下,SRG:繞組內阻Rs=0.072 Ω,轉動慣量J=0.001 3 kg·m2,摩擦系數B=0.008 13,Us=110 V,負載 RL=5 Ω。 電流滯環閾值 0.1 A,θon=16°,θoff=27°。 風力機參數:β=0°(此時 λ=8.1),R=1.25 m,模擬風速v=3 m/s,得到穩定風力機驅動轉矩Td=2.1 N·m,仿真結果如圖15所示。通過圖15(a)可知,在風力機驅動下,實現發電運行相電流波形與圖5理論波形基本一致。A相電磁轉矩波形符合式(6),證實系統非線性建模的正確性。圖15(b)給出了在固定風速下的發電機穩定運行時6相合成電磁轉矩,從波形可以看出轉矩存在小范圍脈動,也符合開關磁阻電機特點。圖15(c)與圖15(d)給出了開關磁阻風力發電系統輸出功率波形與轉速波形,可以看出當電機運行達到穩定時,輸出功率亦趨于穩定,功率紋波由SRG的功率變化器換相

圖15 系統仿真結果

以及非線性引起的,符合實際。

4 結 語

隨著我國對風電的投入與戰略調整,分布式風力發電逐漸興起,但是大規模分布式發電系統作為獨立電源并網會造成整個電力系統的電壓波動、負荷損耗、電能污染等問題[14],因而小型離網分布式風力發電系統的研究與工程應用成為必然趨勢。

本文介紹的垂直軸開關磁阻風力發電系統,充分發揮垂直軸風機不存在水平軸“迎面受風”問題及風能利用率高的優勢,利用了SRG結構簡單、可靠性好、發電效率高特點。同時基于Simulink平臺采用半周期電感法對系統進行非線性建模,通過對參數的設置與調節,模擬低風速下系統發電運行狀態。詳實地給出了給出了系統各個模塊,整套方法可參考性較高,SRG在風力機直驅下,相電流、轉矩仿真結果與理論波性基本相符。工程實現中,系統發出來的電能加以調節可以直接就地消納,亦可以供給蓄電池儲能,仿真結果可為垂直軸開關磁阻風力發電控制系統的優化設計、調試提供理論依據。

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