開關磁阻風力發電機無位置傳感器控制

熊立新，馬宏昌，畢淑冬，徐丙垠,

(1. 山東科匯電力自動化股份有限公司， 山東 淄博 255087；2. 山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255049)

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開關磁阻風力發電機無位置傳感器控制

熊立新1，馬宏昌2，畢淑冬1，徐丙垠1,2

(1. 山東科匯電力自動化股份有限公司， 山東 淄博 255087；2. 山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255049)

針對開關磁阻風力發電機提出了一種新的無位置傳感器控制方法，在電機非工作相繞組中注入電壓脈沖，通過檢測響應電流值的變化來獲取換相位置.即啟動時同時向電機三相繞組中注入電壓脈沖，比較三相繞組電流值的大小關系獲得電機轉子所在的區間.在試驗室中建立了開關磁阻風力發電系統，試驗結果表明該控制方法是可行的.

開關磁阻發電機；無位置傳感器控制；脈沖注入；風力發電

目前風力發電機主要有普通異步發電機、雙饋異步發電機和永磁同步發電機[1]，這些發電機均存在一些缺點.普通異步發電機的發電轉速近似于恒定值，當風速變化時轉速不變使得風能利用效率不能保持最優值.雙饋異步發電機雖然能隨著風速的變化改變轉速，但其結構復雜，在風輪機和發電機間需要安裝增速齒輪箱，由此帶來了額外的功率損失，而且增速齒輪箱的維護保養工作量大.使用永磁同步機可以省去增速齒輪箱，實現變速直驅運行，但永磁材料易退磁，影響發電效率.

開關磁阻發電機(switchedreluctancegenerator，SRG)變速范圍寬，低速性能好，電機損耗小，運行效率高，輸出為恒壓直流電，易于并網，在風力發電中應用時可省去齒輪箱，提高風能利用率，這些特點使得SRG非常適合用到變速直驅風力發電場合中[2-3].自20世紀90年代以來，開關磁阻風力發電系統已經在文獻中有所報道，目前這方面的研究仍處于起步階段，尚未實現開關磁阻風力發電機的實用化運行[4].

開關磁阻電機是一種雙凸極電機，運行原理是根據電機定、轉子的相對位置輪流對相繞組通電，因此運行中必須準確知道SRG定、轉子的相對位置[5].現有文獻中對SRG進行測試時均采用光電式或電磁式位置傳感器來獲得位置信號，光電盤或編碼器安裝在SRG電機內部.其缺點是位置傳感器容易被粉塵污染或損壞，影響電機可靠性，同時給塔架內部布線、防纏繞等帶來困難，信號長距離傳輸也會影響信號精度，采用無位置傳感器的檢測方法可以很好的解決這個問題.

本文分析了SRG的工作原理，從理論上推導了SRG相繞組電流與電感的關系.考慮到變速直驅風力發電應用中電機轉速一般較低，提出了使用脈沖注入法對SRG進行控制的方法，對電機啟動相的判別依據進行了研究，設計了3kW垂直軸開關磁阻風力發電機的試驗系統.

1　SRG無位置傳感器控制原理

1.1開關磁阻發電機工作原理

開關磁阻電機為雙凸極結構，定、轉子鐵芯均由普通硅鋼片沖成一定形狀的齒槽，然后疊壓而成，并且定、轉子極數不同.在電機定子上設有集中繞組，電機轉子上既無繞組也無永磁體，電機的定、轉子極數可以有多種組合，本文使用三相12/8極電機作為試驗樣機.

開關磁阻電機的磁阻隨轉子凸極與定子凸極的中心線對準或錯開而變化，因電感與磁阻成反比，當轉子凸極和定子凸極中心線對準時，相繞組電感最大，磁阻最小，當轉子凹槽和定子凸極中心線對準時，電機相繞組電感最小，磁阻最大.開關磁阻電機的運行遵循“磁阻最小原理”，即磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合[6、7].

圖1　開關磁阻電機工作原理

圖1表示了SRG電機單相電路的工作原理圖，S1、S2是電子開關，D1、D2是二極管，E是直流電源.假設SRG在外力的驅動下順時針轉動，在轉動到圖示位置時，開關S1、S2合上，A相繞組通電，該相通過電源E勵磁.電機內建立起以OA為軸線的徑向磁場，磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉子極、轉子軛等處閉合.通過氣隙的磁力線是彎曲的，此時磁路的磁阻大于定、轉子磁極軸線重合時的磁阻，因此，轉子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產生的轉矩的作用，使得轉子磁極的軸線Oa有向定子A相磁極軸線OA運動的趨勢，并受到該方向的力矩作用，即逆時針方向，同時轉子上的機械能將轉化為磁能存儲在磁場中.

如果此時打開A相開關S1、S2，則A相繞組的電流通過二極管D1、D2進行續流，電流方向不變，電源極性與原來相反，儲存在磁場中的磁能將釋放出來，并轉化為電能，回饋至電源，從而完成了機械能與電能之間的能量轉化過程[8].

1.2SRG電感與轉子位置的關系

在線性模型下開關磁阻電機的相繞組電感隨轉子位置角變化的規律如圖2所示，開關磁阻電機作為發電運行時工作在電感下降區[9].

圖2　SRG相繞組電感示意圖

開關磁阻電機的電感隨著轉子位置的變化而變化，相電感、電流和轉子位置都有著一定的關系，電機每一相繞組的電壓方程可寫為

(1)

其中:u為直流母線電壓;i為電機繞組相電流;r為電機繞組電阻;φ為電機磁鏈;l為電機繞組電感;θ為電機定、轉子位置角度;ω為角速度;t為時間.

脈沖注入法的基本思想是開關磁阻電機的相電流變化速率取決于增量電感，而增量電感又是由轉子位置來決定的，利用這一規律可解算出轉子位置信息.脈沖注入法一般是對非工作相加以一短時的電壓脈沖激勵，由于時間短，故響應電流很小，可以忽略繞組電阻壓降，即上式第一項，在低速時由于ω很小， 而且因注入時間短，電感處于不飽和狀態，故也可以忽略最后一項，從而式(1)可變為

(2)

可見電機相繞組電流的變化與電機繞組兩端的直流電壓、電感有著直接關系，式(2)可進一步寫為

(3)

如圖3所示，向開關磁阻發電機繞組中注入短時間的電壓脈沖時，相繞組電流會隨著轉子位置的不同而變化，因此檢測響應電流大小即可得出轉子位置，實現SRG的勵磁、發電控制.

圖3　脈沖注入電壓和響應電流示意圖

2　SRG無位置傳感器控制方法

2.1換相控制方法

根據公式(3)，開關磁阻電機的相電感可以通過響應電流值解算出來，進而根據相電感的大小決定電機定、轉子的相對位置.由于激勵時間短，響應電流值小，因而由繞組電阻值引起的壓降、飽和效應等可以忽略.

開關磁阻電機運行時需根據定轉子位置輪流對不同的相繞組進行導通關斷，實現電流的連續輸出.運行中并不需要時刻知道當前的定、轉子角度位置，只需要測量出換相點完成開關磁阻電機的正確換相即可.故可以在電機運行前，測量出一個換相電流閾值ithd，將閾值存儲到控制器程序中，運行時將響應電流Δi與預存的閾值ithd進行比較，如果滿足換相條件，即可認為當前電機轉子角度運行到了換相時刻，可由當前工作相切換到下一工作相，實現正確換相.

圖4　SRG電感圖與B相電流圖

圖4為理想的開關磁阻電機相繞組電感與電流的示意圖，根據激勵電流和轉子位置的關系可以實現開關磁阻發電機的正確換相工作.本方法選擇脈沖注入相為下一要開通的相，比如當前SRG工作相為A相，下一開通相應為B相，則在A相導通過程中向B相注入激勵電壓，測量B相的響應電流ib，如果響應電流ib的幅值低于閾值ithd，則認為換相時刻已到，需關斷A相，開通B相，激勵相也由B相換為下一開通相，即C相.

根據開關磁阻發電機電感特性，可以設置兩個電流閾值ithd來進一步控制SRG工作在兩相運行狀態或單相運行狀態.運行中也可以通過提高或減小閾值ithd來使開通時間提前或延遲，實現開通角、關斷角的調節.開關磁阻發電機的轉速可以通過測量換相信號的間隔時間計算.

2.2脈沖注入頻率的選擇方法

注入繞組的脈沖持續時間必須滿足三方面的要求，首先要在注入時間內能產生滿足測量要求的響應電流，其次要求響應電流對電機工作帶來的影響盡可能小，產生的負轉矩可忽略，最后要保證在一個周期內有足夠多的注入脈沖，以便采用合適的濾波算法，去除干擾信號，保證檢測精度.

本文使用的三相12/8結構SRG樣機的最小電感為0.019H，最大電感為0.109H，繞組電壓為540V，如果在最小電感處注入電流幅值預期2A，則激勵持續時間

(4)

此時在最大電感處注入等寬的脈沖電流幅值為

(5)

在轉速為300r/min時，對于轉子為8極的電機而言，圖5所示每個區間的時間長度為

(6)

根據以上計算，考慮到DSP的編程實現方便，故實際注入脈沖的持續時間可取為70μs，注入頻率可取為4kHz，即注入間隔為0.25ms，此時每個區間有16個響應脈沖，可以進行簡單的數字濾波計算.在低于300r/min時如果使用4kHz注入脈沖，個數會更多，運行中可以在確保換相時刻正確的情況下根據轉速實時調整脈沖注入頻率.

2.3啟動相選擇方法

在上電運行的初始時刻，需要判斷當前應開通的工作相，常規的控制方法是使用位置傳感器直接讀取位置信號即可正確導通.本文所提出的無位置傳感器控制算法是利用電機已知的工作相，向下一工作相中注入脈沖電壓，因此電機啟動時，必須首先選擇正確的工作相.

如圖4所示，開關磁阻發電機的定、轉子角度可以根據電機相繞組電感的不同劃分為6個區間.在每個區間內，每一相的電感值大小不同，因而響應電流也不一樣，運行中可以根據響應電流的幅值判斷當前定、轉子所處的區間.

本文使用的啟動相選擇方法是在啟動時向SRG電機三相繞組中同時注入一定時刻的激勵電流，然后對繞組中的響應電流同步采樣，對采集到的電流幅值進行比較，通過三相響應電流幅值的大小關系，可以判斷出當前所處的區間.表1列出了響應電流與區間的判斷方法，同時也給出了各區間內的工作相和應激勵相.

表1啟動相選擇方法

響應電流區間工作相激勵相ib>=ia>icib>ic>=iaic>=ib>iaic>ia>=ibia>=ic>ibia>ib>=ic123456Cand/orBCAand/orCABand/orABAABBCC

在風力發電系統中，如果風機上安裝有風速測量裝置，則測量風速以實現開關磁阻風力發電機的啟動.對于小功率的風力發電系統，一般不安裝風速測量儀，此時需監測電機轉速是否達到啟動條件.在SRG發電運行前，可以選擇任意一相按照固定頻率注入激勵電壓，監測激勵電流的幅值變化周期，從而獲得電機轉速，如果電機轉速高于開關磁阻風力發電系統預設的啟動轉速，可使系統投入運行，使SRG工作在發電狀態.SRG使用表1所述的方法獲得啟動相，導通相工作時，需向下一工作相中注入激勵信號，此時需記錄每一相的換相時刻，根據換相信號的間隔時間計算出電機轉速.

3　試驗結果

為了驗證本文提出的無位置傳感器控制方法是否正確，在試驗室中設計了一套三相12/8極的開關磁阻發電機與控制器，控制器使用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，采用三相不對稱半橋結構作為主電路.表2列出了試驗所用SRG的關鍵參數指標.

表2試驗用SRG參數

參數值參數值定/轉子極數額定功率額定轉速額定電壓定子內徑12/83kW200r/min540V159mm轉子內徑氣隙長度相繞組電阻最大電感最小電感59mm1mm1.4Ohm0.1092H0.019H

在電機軸上安裝了一個光電式位置編碼器以測量電機定轉子位置和電機轉速，SRG控制器使用無位置傳感器控制算法對電機進行換相控制時模擬產生一個換相信號，換相信號與電機軸上安裝的編碼器信號進行比較，以驗證本文所提的算法精度.

3.1模擬試驗

首先在試驗室中模擬了開關磁阻風力發電系統，圖5為試驗系統框圖.使用直流電動機作為動力機，在PC機上輸入欲模擬的風力曲線后，PC機讀取測功機的轉速、轉矩值再通過控制器來調整直流電動機的運行，使其運行特性符合風輪機曲線.使用示波器測量電機上的位置信號與DSP通過無位置傳感器控制算法模擬出來的位置信號.

圖5　試驗系統框圖

圖6為SRG分別運行在50r/min、 150r/min和300r/min時測量到的波形圖，圖中上面的波形為SRG電機軸上實際的位置信號，下面的波形為DSP通過無位置傳感器模擬產生的波形.

(a) 50r/min測到的位置信號

(b) 150r/min測到的位置信號

圖 c) 300r/min測到的位置信號圖6　SRG運行位置信號波形圖

3.2現場試驗結果

本文在現場設計安裝了一個3kW變速直驅開關磁阻風力發電機，圖7為系統框圖，整個系統由垂直軸風力機、SRG與控制器、儲能電容Cs、蓄電池、負載組成.

圖7　開關磁阻風力發電系統框圖

風力機完成風能/機械能轉換，本系統采用3葉片垂直軸風力機，使用中自動跟蹤風向變化，無需對風.控制器檢測到SRG達到啟動條件后，將蓄電池開關閉合，為SRG提供建壓用的起始勵磁電源，使SRG工作在發電狀態.由于電容Cs的存在，SRG不斷對電容充電，使母線電壓慢慢升高，當母線電壓高于蓄電池電壓后，可使用儲能電容Cs存儲的電能進行勵磁.儲能電容同時對SRG的輸出電壓進行濾波，使電壓穩定.建壓過程完成后可以將直流負載閉合或者通過DC/AC逆變器將SRG發出的直流電逆變為交流電送出.

系統安裝好后，對SRG的無位置控制算法進行了測試.圖8是SRG的相電流和響應電流波形，可以看出每一相繞組在發電運行的同時下一相繞組中注入了激勵電壓產生了響應電流，如果檢測到響應電流的幅值在逐漸變小，等到幅值小于設定的閾值后，關斷上一發電運行相，開通本激勵相作為當前的發電運行相，同時激勵信號開始注入下一相進行位置信號識別.

圖8　現場SRG相繞組電流波形

試驗和現場測試結果表明使用本文提出的無位置傳感器控制算法可以產生正確的換相信號，實現風力發電機的無位置傳感器運行.

4　結束語

本文提出了一種開關磁阻風力發電機的無位置傳感器控制方法，該方法僅在相繞組中注入激勵電壓同時檢測響應電流來實現換相，不需要計算磁鏈也不需要在控制器中預存大量數據表，具有簡單可靠的優點.本文也提出了啟動相的選擇方法，即啟動時在三相繞組中同時注入激勵電壓，比較三相響應電流的幅值大小關系決定當前轉子所處的區間.本文最后設計了3kW垂直軸開關磁阻風力發電機并實現了系統的現場運行，模擬試驗和現場測試均驗證了所提出的理論算法的正確性和實用性.

[1]NavidG,ZhuWD.Areviewonthedevelopmentofwindturbinegeneratorsacrosstheworld[J].Interna-tionalJournalofDynamicsandControl, 2013, 1 (2):192-202.

[2]阮春長,王宏華,阮曰魚. 基于模糊控制的開關磁阻風力發電系統最大功率點跟蹤控制[J]. 電力自動化設備, 2012,32(5):129-132.

[3]YiLZ,WangGP,WuJL.ResearchofvariablespeeddirectlydrivenSRGwindpowersystempositionsensorlessbasedonDFNNbyFEA[J].JournalofCoalScienceandEngineering(China), 2011, 17 (1): 107-112.

[4]張憲平,潘磊,秦明. 開關磁阻發電機在風力發電系統的應用[J]. 大功率變流技術,2011( 3):20-24.

[5]ChenH,ZhangX,XuY.Modeling,Simulation,andExperimentofSwitchedReluctanceOceanCurrentGeneratorSystem[J].AdvancesinMechanicalEngineering, 2015, 5(3):261-241.

[6]EhsaniM,FahimiB.Eliminationofpositionsensorsinswitchedreluctancemotordrives:stateoftheartandfuturetrends[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics, 2002, 49(1):40-47.

[7]李珍國,李彩紅,闞志忠,等. 基于改進型簡化磁鏈法的開關磁阻電機無位置傳感器速度控制[J]. 電工技術學報, 2011, 26(6):62-66.

[8]AntoniA,XavierR,MickaelH.Enhancingthefluxestimationbasedsensorlessspeedcontrolforswitchedreluctancemachines[J].ElectricPowerSystemsResearch,2013, 104(9):62-70.

[9]林顯軍.開關磁阻風力發電系統控制方法研究[D]. 廣州：華南理工大學，2012.

(編輯：劉寶江)

Sensorless position control of switched reluctance generator for wind turbine

XIONG Li-xin1, MA Hong-chang2, BI Shu-dong1, XU Bing-yin1,2

(1. Shandong Kehui Power Automation Company Limited, Zibo 255087, China;2.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Thispaperpresentsanewsensorlesspositioncontrolmethodofswitchedreluctancegeneratorforwindturbinebyinjectingvoltagepulseintooneunenergizedphase.Themethodchoosesstartingphasebycomparingthreephasedetectedcurrentvaluesimultaneously.Theproposedcontrolmethoddoesnotrequireexternalhardwareorcomplexinductancecalculationandhencethereliabilityoftheschemeisexpectedtobegoodwithoutaddingsystemcost.Thusitispossibletoeliminatetheuseofthepositionencoder,whichcanimprovethesystemreliabilityandreducethesystemmaintenance.A3kWswitchedreluctancewindgeneratorsystemisdesignedandbuiltinthefield.Someexperimentalresultsarepresentedtovalidatetheproposedsensorlesspositioncontrolmethodofswitchedreluctancegeneratorforwindturbine.

switchedreluctancegenerator;sensorlesspositioncontrol;pulseinjection;windturbine

2015-12-30

山東省科技重大專項(2015ZDXX0401A01)

熊立新，男，xionglx@kehui.cn;

馬宏昌，男，mahc@kehui.cn

1672-6197(2016)06-0053-05

TM352

A