Z源網絡強化勵磁提高低速SRG效率

易靈芝，張敏枝，朱廣輝，羅百敏，禹云輝，陳俊騰（.湘潭大學智能計算與信息處理教育部重點實驗室，湖南湘潭 405；.湘潭牽引電氣設備研究所有限公司，湖南湘潭 40）

Z源網絡強化勵磁提高低速SRG效率

易靈芝1，張敏枝1，朱廣輝2，羅百敏2，禹云輝1，陳俊騰1
（1.湘潭大學智能計算與信息處理教育部重點實驗室，湖南湘潭 411105；2.湘潭牽引電氣設備研究所有限公司，湖南湘潭 411101）

∶針對低風速段開關磁阻風力發電機的運動電動勢低于發電電動勢、導致發電區間小于勵磁區間的問題，將Z源網絡耦合到勵磁電源與不對稱半橋功率變換器之間，強化勵磁電壓，加快勵磁電流上升速度，減小勵磁區間，提高低速發電效率；同時給勵磁電容充電，實現快速自勵；并通過Z源網絡實現濾波，節省成本，減小體積。Matlab仿真實驗表明∶與傳統不對稱半橋功率變換器相比，基于Z源網絡新型功率變換器能明顯提高SRG在低速段風能利用率和發電效率。20kW小功率樣機測試結果也驗證了新型Z源網絡功率變換器能優化開SRG低速性能。

∶開關磁阻發電機；強化勵磁；Z源網絡；不對稱半橋變換器

0 引言

20世紀80年代末人們對開關磁阻電機發電運行特性的研究，其區別于感應電機遵循“磁阻最小”原理，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。開關磁阻電機（switchedreluctancegenerator，SRG）SRG發電原理新穎，具有低速運行效果好，各相間獨立工作、系統可靠性好，可控參數多、控制靈活等優點［1］。

常見的SRG功率變換器有不對稱半橋變換器、公共開關型變換器、裂相式變換器、H橋變換器等。一個好的功率變換器需滿足如下條件∶盡量少的開關數量，任意相SRG均適應，單極性供電，換相能力強，續流時能夠將能量回饋給電源等［2］。

文獻［3］中將SRG主電路拓撲結構進行了改造，通過自勵方式達到強化勵磁目的，但其公共開關管的開關次數增多，容易產生故障。文獻［4］中提出一種基于相功率變換器構建勵磁和升壓斬波控制電路，缺陷在于輸出母線電壓紋波較大。文獻［5］中提出一種基于Z源的DC/DC變換器，用于直流升/降壓。文獻［6］設計的模糊PID實現Z源逆變控制，提高輸出性能。

本文以不對稱半橋功率變換器拓撲為基礎，耦合一個Z源網絡，增強勵磁電壓；解決在低速情況下發電周期較長、勵磁區相電流面積值較大，但由于運動電動勢較小、致使發電區域面積相對較小、導致發電效率降低的問題，提高SRG利用率和效率。

1 開關磁阻發電原理

觀察圖1（a）所示的三相6/4極SRG橫斷面，轉子無繞組，定子徑向相對的兩個繞組串聯成“一相”，通過不對稱半橋型功率變換器進行控制。SRG發電原理如下∶1）開關導通，直流電源提供勵磁，電能轉化為磁能儲存在繞組中；2）開關斷開，通過機械能轉化過來的磁能再轉化為電能通過二極管續流，繞組電流的方向不變，向電源回饋電能。

SRG一相繞組的等效電路為一個定值電阻Rs與電感L（θr，i）串聯，見圖1（b）。則a相繞組的電壓方程可以表示為

由于繞組電阻較小，可忽略繞組壓降。

在電感最大的時候勵磁

圖1 三相6/4極SRGFig.1 Three-phase6/4-poleSRG

由于SRG磁路非線性，為了便于分析，一般采用忽略磁路飽和、不考慮磁場邊緣化擴散效應的SRG線性模型，可近似的用分段式線性表達其相電感。由圖2可知，當SRG定子極與轉子極中心線重合時，定義為0°，此時相電感最大。隨著電機的轉動，定子和轉子間的相對位置發生改變，則相電感將發生變化。當轉子轉到θ2位置時，相電感開始減小，到達θ6時，相電感最小。

圖2 電感曲線和CCC相電流波形Fig.2 WaveofinductanceandcurrentinCCC

由于低速發電運行時，運動電動勢的方向與繞組端電壓方向相同，電流增長更快，采用電流斬波控制（currentchopcontrol，CCC）可以限制電流峰值超過允許值，實現保護和電流調節功能。

由式（3）可知，當運動電動勢高于相電壓時，在主開關斷開后電流上升，見圖2中相電流Ia波形；當運動電動勢低于相電壓時，電流進人斬波狀態，見圖2相電流Ib波形。

a相電流上升的區間屬于勵磁狀態，a相電流下降的區間為發電狀態，勵磁區間的面積值S1相對發電區域面積S2大，導致發電效率降低。由于發電過程不能直接控制，只能通過調節勵磁參數來控制發電，所以，怎樣減小勵磁區間的面積成為問題的關鍵。

忽略開關損耗、鐵耗的影響，SRG效率為

其中Pin和P0分別為SRG輸人/輸出功率。

2 Z網絡功率源變換器

當SRG轉速較低時，ω較小，運動電動勢小于發電時的相電壓，電流在開關關斷時刻無法增加，導致利用率和轉換效率降低。在SRG的開通角和關斷角固定不變、斬波限固定的條件下，可以通過強化勵磁電壓，使勵磁電流獲得更快的上升速度，減小勵磁區間的面積。

本文將Z源網絡耦合到SRG的勵磁電源和功率變換器中，見圖3（a），假設L1=L2且電感值較大，C1=C2且電容值也較大，那么Z源網絡就是一個完全對稱的拓撲，兩電感和電容上的電壓相等，在勵磁階段通過Z源網絡升壓，增大電流變化率，提高低速段SRG發電效率。

3 Z源網絡功率變換器工作模式

1）初始階段，T1、T2、T3都關斷的時刻，電源US給電容C1、C2充電，此時

UL1=UL2=UL，UC1=UC2=UC。 （7）

2）T1、T2導通，T3關斷時，等效電路見圖3（b）所示。電容C1、C2處于放電狀態，輸人二極管D1反偏，電源US被隔離，SRG繞組由雙電容供電，L1、L2、L的電流增加，假設C1、C2的電流參考方向向上，則

3）T1、T2關斷，T3導通時，狀態等效電路見圖3（c）。此時，由于開關斷開，電感L1、L2、L釋放能量。L1上的電壓反向，二極管D1承受正向壓降導通。SRG繞組中的電能通過不對稱半橋變換器的續流二極管和T3反饋到電源US，同時L1、L2剩余能量也轉移到電源US；源網絡促使發電電壓升高，同時，發電電壓可以通過L2、C2組成的LC濾波器進行濾波。

圖3 Z源網絡功率變換器及工作模式Fig.3 OperationmodeofZ-sourcenetworkconverter

4 Matlab仿真實驗

為驗證新型Z源網絡功率變換器的性能，在Matlab仿真平臺上，建立開關磁阻風力發電系統仿真模型［7］，進行相關仿真實驗。在原動機的牽引下，SRG額定轉速為150r/min，考慮低速性能，選擇SRG工作在200r/min。

SRG風力發電系統仿真采用CCC斬雙管的控制方式，即同時切斷同一相的兩個開關，使繞組電流上升更快，無中間單管續流環節，但是增加了開關損耗。

按照文獻［8］對Z源網絡參數進行初步計算再調整優化，得到系統主要電路參數見表1。L1、L2、C1、C2、L的取值要經過計算，使Z源網絡處于非斷流狀態。

表1 系統主要參數Table1 Systemmainparameters

開關磁阻發電系統的可控參數很多，為了防止相電流在下相導通以前下降到0，設置開通角、關斷角固定不變，分別是開通角θon為15°，關斷角θoff為35°，導通比始終小于0.5。勵磁電源經過Z源網絡，使勵磁相電流能快速上升，保證勵磁區間小于發電區間。電流斬波范圍為35～45A。

低速條件下，基于不對稱半橋電路功率變換器的SRG相電流仿真波形如圖4（a）所示，受斬波控制，在勵磁階段勵磁電流在40A上下波動（±5A）。在一相繞組周期內，開關關斷次數少，電流上升時間長，發電區間的面積稍大于勵磁區間的面積。經式（5）計算得S1/S2=0.85。

基于Z源網絡功率變換器的SRG相電流仿真波形如圖4（b）所示，在Z源網絡的作用下，勵磁電壓升高，相電流上升時間明顯減短，而且斬波次數增加，在一相繞組周期內的發電區間面積增大。經式（5）計算得S1/S2=0.79。

功率對比見圖4（c），功率都采用有效值，實線P1為SRG輸人功率，虛線P2為基于Z源功率變換器的SRG輸出功率，虛線P3為不對稱半橋變換器的SRG輸出功率。由圖可知，P2/P1＞P3/P1，證明基于Z源功率變換器的SRG低速段發電效率明顯提高。

圖4 SRG低速段仿真結果Fig.4 SimulationresultsofSRGinLowspeed

5 小功率SRG樣機研發

為了驗證基于Z源網絡功率變換器能通過強化勵磁提高低速段SRG發電效率，采用MPC82G516A單片機控制器研制一套20kW開關磁阻發電機實驗樣機，見圖5（a）。采用三相異步電機變頻調速系統模擬風機，原動機與SRG采用軸對軸連接，將輸人的機械能轉化為電能。實驗過程中，通過自行研發的監控軟件檢測各相的輸出信號。

由于a、b、c三相的電流波形相似，見圖5（b），故只對其中一相進行測試，測得的a相電流見圖5（c）。從圖5（d）可以看出∶輸出電壓波動較小，證明Z源網絡具有濾波作用。電力分析儀MI2392測得的數據在PC上顯示得到的a相電壓、電流波形如圖5（e）所示。比較圖5（c）和圖5（e）可知∶用監控軟件實驗結果和儀器測量結果相一致。樣機采用CCC，每相電流控制在35A左右，且每次電流上升速度都很快。

在原動機轉速為200r/min時，SRG軸上轉速見圖5（f），SRG輸出功率見圖5（g）。

從圖5（g）和圖4（c）可以看出輸出功率的仿真實驗和小功率樣機實驗結果基本一致。

圖5 20kWSRG及其監控結果Fig.5 Monitorresultsof20kWSRG

圖6 不同轉速的輸出功率檢測結果Fig.6 Outputpowerofdifferentspeedtestresults

測量低速段不同轉速下的輸出功率，繪制成圖形，見圖6。

由圖7可知，耦合了Z源網絡功率變換器的SRG在低速段的發電效率比傳統不對稱半橋功率變換器SRG要高。

用JN-338轉矩轉速測量儀測得SRG軸上轉速為200.4r/min時，SRG的輸人轉矩為192.31N.m，輸人功率大約為4kW，見圖8。

圖7 20kWSRG不對稱半橋和Z源發電效率Fig.7 AsymmetrichalfbridgeandZsourcepower generationefficiencyof20kWSRG

圖8 儀表測得的SRG轉速、轉矩和輸入功率Fig.8 Speed，torqueandinputpowerofSRG

以上實驗結果和仿真的結果基本一致，驗證了Z源網絡對開關磁阻發電機具有強化勵磁，提高低速發電效率的能力。

6 結論

在理論推導基礎上，采用電流斬波控制，搭建基于Z源的SRG功率變換器拓撲仿真模型，實驗結果表明，它具有以下幾個優點∶

1）開關磁阻發電機在低速階段采用CCC控制，開關頻率較高，為了防止相電流在下相導通以前下降到0，提前進人下個周期，發電階段開關導通比總小于0.5；

2）在勵磁階段，勵磁電壓增加，有利于繞組電流的快速上升，優化發電性能；

3）在發電階段，發電電壓可以通過Z源網絡進行LC濾波。

綜上所述，將Z源網絡耦合到功率變換器中，能優化SRG低速段性能，為研發低速直驅開關磁阻風力發電提供指導。

∶

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（編輯∶劉琳琳）

ResearchofhighefficiencybasedonZ-sourcenetwork strengthexcitationforSRGinlowspeedperiod

YILing-zhi1，ZHANGMin-zhi1，ZHUGuang-hui2，LUOBai-min2，YUYun-hui1，CHENJun-teng1
（1.KeyLaboratoryofIntelligentComputing＆InformationProcessing，MinistryofEducation，XiangtanUniversity，Xiangtan411105，China；2.XiangtanElectricDrawingEquipmentResearchLaboratoryCoLtd，Xiangtan411101，China）

∶Inlowwindspeed，themotionalelectromotiveforceofswitchedreluctancegeneration（SRG）is lowerthanthegenerationelectromotiveforce，resultingingenerateelectricityintervallessthantheexcitationinterval.Aimingattheseproblems，Z-sourcenetworkwascoupledbetweentheexcitationpower sourceandasymmetricalhalf-bridgepowerconverter.Ithasmanyadvantages，suchasstrengthentheexcitationvoltage，acceleratingtherisingspeedofexcitationcurrent，shrinkingexcitationinterval，increasingtheefficiencyoflowspeedpowergeneration，andchargingtheexcitationcapacitortoachieverapid selfexcitation.Thecostcanbesaved，andvolumecanbereducedwithself-filterbyZ-sourcenetwork. MATLABsimulationresultshowsthatthenewpowerconverterbasedonZ-sourcenetworkcanimprove thelowspeedwindenergyutilizationandSRGpowergenerationefficiency，comparedwiththetraditional asymmetricalhalf-bridgepowerconverter.SmallpowerprototypetestresultalsoverifiedthatthenewZ-sourcenetworkpowerconvertercanoptimizeSRGlowperformance.

∶switchedreluctancegeneration（SRG）；strengthenexcitation；Z-sourcenetwork；asymmetric half-bridgepowerconverter

∶TM352

∶A

∶1007-449X（2015）11-0066-06

∶2013-06-16

∶國家自然科學基金（61572416）

∶易靈芝（1966—），女，碩士，教授，研究方向為交流調速與電力電子裝置、新能源發電、直流微網；

張敏枝（1987—），男，碩士研究生，研究方向為開關磁阻風力發電系統；

朱廣輝（1967—），男，高級工程師，碩士生導師，研究方向為新能源發電；

羅百敏（1954—），男，高級工程師，研究方向為電機設計；

禹云輝（1987—），男，碩士研究生，研究方向為開關磁阻風力發電機控制；

陳俊騰（1990—），男，學士，研究方向為直流微網。

∶張敏枝

DOI∶10.15938/j.emc.2015.11.010