雙邊直線開關磁阻發電系統建模與仿真研究

馮治崗，馬春燕，陳 燕，竇銀科，侯向楠

(太原理工大學，太原030024)

0 引 言

隨著科學技術的發展和工業進程的加快，人類對能源的需求量逐年遞增，導致地球上的一次能源的存儲量逐漸在減少。目前，各國科學家把目光都轉向新能源的研究與開發，波浪能作為一種無污染、可再生能源而備受重視。海浪發電的優點是儲量大、成本低、無污染，波能發電基礎設施一旦建成，可以低成本運營［1］，研究海浪發電對解決目前的能源緊張問題意義重大。

傳統的波能發電系統采用旋轉式發電機作為能量轉換機構，由于需要中間轉換裝置，故首先將上下浮動的波浪能轉換為機械能，然后再轉換成電能［2］。該發電裝置結構復雜、運行不穩定、后期維護難度大，且效率相對低下。而由直線發電機組成的直驅式波浪發電系統，省去了中間轉換裝置，具有結構簡單、易維護等優點，且效率相對較高。因此，目前研究波浪能發電的學者都將研究重點放在直線發電機本體上。

近年來，直線永磁發電機已經受到各國研究人員的廣泛關注，并在永磁直線發電機方面取得突破性的成果。直線永磁發電機魯棒性好、效率高，但制造成本高，且電機內嵌的永磁體易受海底環境影響，很難適應惡劣的工作環境［3］，在一定程度上限制了其廣泛應用。

為此，設計一種雙邊直線開關磁阻發電系統。雙邊直線開關磁阻發電機(以下簡稱DLSRG)繼承了傳統旋轉開關磁阻發電機的特點，遵循磁阻最小原理［4－6］，動、定子結構簡單、堅固、每一相可獨立運行［7］，具有無磨損、無潤滑、可以實現低速運行等優點［8］。與直線永磁發電機相比，DLSRG 動、定子均由硅鋼片疊壓而成，無需安裝永磁體，受外界環境影響較小，可在高溫、高腐蝕等惡劣環境下運行，更加適用于海浪發電。通過Ansoft Maxwell 軟件設計模型，在Ansoft Simplorer 中搭建功率電路和控制電路，將Maxwell 中的DLSRG 模型導入Simplorer 中，對DLSRG 系統進行聯合仿真研究。

1 DLSRG 結構及運行原理

1．1 DLSRG 結構

直線開關磁阻發電機由旋轉式開關磁阻發電機演變而來，按照結構不同可以分為單邊式結構和雙邊式結構，如圖1 所示。

圖1 直線開關磁阻發電機結構示意圖

在10 A 直流勵磁下，單邊式結構和雙邊式結構直線開關磁阻發電機在運行一個發電周期內，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，單邊式結構發電機徑向磁拉力在逐漸增大，在定子齒中心線與動子齒中心線對齊時達到了最大值為6．5 kN，在后半周期，單邊式結構發電機徑向磁拉力在逐漸減小;雙邊式結構發電機徑向磁拉力在整個發電周期內在0 附近波動，且脈動較小，與單邊式結構相比可忽略不計。

在10 A 直流勵磁下，單邊式結構和雙邊式結構直線開關磁阻發電機在運行一個發電周期內橫向磁拉力的變化波形如圖3 所示。由圖3 可以看出，在定子齒和動子齒中心線對齊的位置，兩種結構的發電機橫向磁拉力為0，在前半周期和后半周期，雙邊式結構橫向磁拉力值是單邊式結構的2 倍。

圖3 橫向磁拉力

通過上述分析可知，單邊直線開關磁阻發電機在運行過程中徑向磁拉力脈動較大，使得電機振動和噪聲較大，對機械強度要求較高，嚴重時會影響發電機的穩定運行，降低發電機使用壽命。然而，雙邊式結構則與之不同，雙邊式在結構上對稱，動子上受到的徑向磁拉力可相互抵消，徑向磁拉力合力脈動較小，所以DLSRG 能有效降低單邊徑向磁拉力影響。在同一激勵源下，雙邊式結構橫向磁拉力大于單邊式結構，因此，DLSRG 在發電階段吸收的機械能大于單邊直線開關磁阻發電機。

由此可見，DLSRG 性能優于單邊式直線開關磁阻發電機，采用雙邊式結構較為合理。

1．2 DLSRG 運行原理

DLSRG 機電一體化示意圖如圖4 所示。

圖4 DLSRG 機電一體化示意圖

S1 和S2 代表IGBT，D1 和D2 是續流二極管，U是直流電壓源。DLSRG 的動子由浮球拖動上下運動，通過動子位置檢測裝置實現位置閉環，使得發電機在勵磁和發電續流狀態之間轉換，當某相繞組上下橋臂的開關管導通時，相繞組中流過電流，發電機進入勵磁狀態，勵磁結束后開關管關斷。由于電感儲能的作用，繞組中的電流不會立刻消失，電流會通過續流二極管向負載或者蓄電池輸送電能，DLSRG的凸極效應使得相繞組成為有源線圈，工作在發電狀態，向外輸出電能。

2 DLSRG 發電系統仿真分析

2．1 DLSRG 發電系統建模

在Maxwell 中建立2D 有限元模型，在Simplorer中建立功率模塊。發電機定子齒槽等寬，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，繞組采用三相獨立集中式繞組，該電機的額定功率為1 kW，額定速度為1 m/s，發電機動子、定子均采用DW465－50 硅鋼片疊壓而成。DLSRG 發電系統仿真如圖5 所示。

圖5 DLSRG 發電系統仿真圖

圖5 中，主電路采用三相不對稱半橋，主電路實現了相與相間完全隔離。主電路中開關元件采用IGBT，D1～D2 為續流二極管，負載端并聯了濾波電容C，勵磁電源端串聯二極管，有效地將勵磁電源和負載區分開，在一個發電周期可以看作勵磁回路和發電回路。控制單元采用C 模塊，在C 模塊中編寫程序，從而輸出所需觸發脈沖信號。

2．2 DLSRG 三相發電仿真分析

選取負載為10 Ω，勵磁電壓為100 V，選取最優開通位置和關斷位置分別為18．5 mm 和49．5 mm，仿真時間設為100 ms，仿真步長設為2 ms，Maxwell和Simplorer 的仿真時間、步長保持一致，動子運動速度設為1 m/s。發電功率、勵磁功率以及三相發電電壓(無濾波)如圖6、圖7 以及圖8 所示。無濾波輸出量脈動較大，不能直接供給負載，因此需在負載端加儲能電容，負載端并聯1 800 μF 儲能電容時的發電電壓波形如圖9 所示，從圖9 中可以看出，發電電壓在初始時刻迅速增長到70 V，在0．2 ～0．3 s發電電壓增長放緩，在0．3 ～0．5 s 發電電壓逐漸降低，在0．5 s 后，發電電壓基本穩定在62 V。

圖6 發電功率

圖7 勵磁功率

圖8 發電電壓(無濾波)

圖9 發電電壓(濾波)

通過上述對仿真結果的分析可知，本文的DLSRG 具有連續發電能力，可滿足實際需求。

2．3 發電功率分析

直線開關磁阻發電機一個發電周期分為勵磁和發電兩個階段，對直線開關磁阻發電機進行發電仿真后，可對一個發電周期的勵磁階段消耗的電能、發電階段發出的電能以及外部輸入的機械能進行估算，進而估算DLSRG 的效率，具體計算方法如下。

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

式中:P1為勵磁階段消耗的功率;ton1和toff1為DLSRG 相繞組勵磁的開通時間和關斷時間;son1和soff1為DLSRG 相繞組勵磁的開通位置和關斷位置;υ和s 分別為DLSRG 動子的移動速度和位移。

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

式中:P2為DLSRG 發電階段輸出的功率;ton2和son2分別為DLSRG 下一個發電周期相繞組勵磁的開通時間和開通位置。

(c)外部輸入機械能計算方法:發電階段將吸收的機械能轉換為電能，吸收的機械能定義為W3，可表示:

式中:f 為DLSRG 處于發電階段時動子受到的橫向拉力。則DLSRG 一個發電周期的發電效率如下:

DLSRG 相繞組電感曲線一個周期為66 mm，0～33 mm 屬于電動勵磁狀態，33 ～66 mm 屬于發電狀態。DLSRG 動子運動速度設為1 m/s，負載為10 Ω，最優開通位置為18．5 mm，最優關斷位置為49．5 mm，選取勵磁電壓U1為100 V。

DLSRG 某相繞組單發電周期勵磁階段消耗的功率P1隨動子位移變化的曲線圖如圖10 所示。從圖10 中可以看出，DLSRG 僅在繞組導通時消耗勵磁電壓，即son1為18．5 mm，soff1為49．5 mm 時消耗勵磁功率。DLSRG 某相繞組單發電周期發出的功率P2隨動子位移變化的曲線圖如圖11 所示。從圖11中可以看出，DLSRG 在該發電周期勵磁結束后開始發電，在下一發電周期勵磁開始時停止發電，即son2為84．5 mm。DLSRG 單發電周期動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 勵磁功率

圖11 DLSRG 發電功率

圖12 DLSRG 橫向受力

通過估算可得到DLSRG 的發電效率約為80.6%。

3 DLSRG 系統控制策略研究

圖13 為DLSRG 系統的雙閉環控制框圖，該控制策略是以發電機輸出電壓與給定值偏差為零為最終控制目標。雙閉環控制包括電壓PID 閉環控制和DLSRG 自身的位置閉環控制。圖3 中，通過位置信號控制開關管的導通和關斷，實現位置閉環控制;Ug是控制系統中的電壓給定信號，Uf是實際測量的電壓信號，二者進行偏差處理，然后通過PID 調節給出對應的PWM 信號，進而調節輸出電壓跟隨給定值變化，當給定值為一個定值時，輸出恒定電壓，最終實現DLSRG 系統的恒壓控制目標。

圖13 DLSRG 雙閉環控制框圖

雙閉環控制策略仿真系統勵磁電壓為100 V，純電阻負載選為10 Ω，仿真步長設置為2 ms，為了充分反映雙閉環控制策略的可行性，仿真時間設為200 ms，動子運行速度設為1 m/s，位置控制為外環控制，選取最優開通/關斷位置(開通位置為18．5 mm，關斷位置為49．5 mm)。圖14 為位置外環和電壓PID 內環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，在發電機開始運行45 ms 后輸出電壓趨于穩定;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 后輸出電壓趨于穩定。

圖14 恒壓控制輸出電壓仿真波形

通過對上述仿真結果的分析可以看出，采用雙閉環控制策略可實現恒壓控制，達到了預期的目標。

4 結 語

通過聯合仿真研究可知，DLSRG 系統具有連續發電能力，且發電效率較高，約為80．6%，符合設計要求。在位置控制內環和PID 電壓外環的雙閉環控制策略下，DLSRG 系統穩定輸出，可控性好，動態響應時間短，能夠實現恒壓控制。