基于開關磁阻發電機的變速恒頻風力發電研究

／湘電集團有限公司 鐘坤炎 ／

基于開關磁阻發電機的變速恒頻風力發電研究

／湘電集團有限公司 鐘坤炎 ／

剖析了SRG體系構造特征，一般的發電機是恒速運行方式，即在一定轉速下輸出一定的電壓，效率不高。本文在仿真軟件中構造了SRG的理論模型，并在變轉速下發電運行。仿真結果表明，通過合理的控制方法，開關磁阻發電機可以變速恒頻發電，有效提高風能的利用效率。

SRG理論模型；風能效率；變速發電；軟件建模仿真

0 引言

開關磁阻發電機簡稱SRG，由定子和轉子組成。定子是內凸結構，轉子是外凸結構。兩者都由若干對極構成，極對數的不同使兩者之間形成轉差角。SRG現較多使用四相（8／6極）結構[1-7]。20世紀末，英國學者最先進行SRG的技術開發[5]。一般的發電機是恒速運行方式，即在一定轉速下輸出一定的電壓，效率不高。現實情況是風速并不恒定，需要用變速發電機提高風能利用效率，即變速恒頻發電。SRG因其較為簡單的結構，在變速發電上有較好的應用價值[2]。

1 開關磁阻風力發電系統

風力發電系統首先由風能變為機械能，再由機械能轉變為電能。開關磁阻發電系統簡稱SRD，如圖1所示。變化的風能帶動風輪機旋轉，SRG轉子轉速也是時刻變化的。位置檢測器檢測到轉子位置發送位置信號到控制系統，同時控制系統根據電機各相的電流電壓信號控制開關元件的通斷，此時發電機發出直流電，經過逆變后回饋電網[1,2]。

風速變化帶動風輪機轉速變化，SRG轉速因而不恒定，但控制SRG參數的變化，能實現輸出電壓恒定。即實現變速恒頻控制。

圖1 SRD發電示意圖

2 SRG發電運行時的結構原理

SRG運轉的基本原理是轉子每對極的中心線要與定子每對極的勵磁磁場中心線重合。電機運行在電動狀態時，控制定子各對極順時針或逆時針的勵磁順序就可以控制轉子的轉向[8-10]。當風輪機帶動電機轉子轉動時，在定子上加一個與轉子轉向相反勵磁順序就能發出電能。

圖2為四相（8／6極）開關磁阻電機發電運行時的原理圖。轉子在風力推動下逆時針旋轉。系統由外接電源U勵磁。根據轉子1-1'，2-2'，3-3'三對極和定子A-A1，B-B1，C-C1，D-D1四對極的相對位置，控制開關S1，S2閉合時間，定子各級磁路產生相反的轉矩。從而將風能轉化為磁能儲存在磁場中。S1，S2斷開后，磁場能通過續流二極管D1，D2轉化為電能回饋電網，實現發電運行。

圖2 SRG發電運行原理圖

3 SRG建模

3.1 開關磁阻發動機理論模型

相電壓方程：

相磁鏈方程：

機械運動方程：

SRG是一個非線性系統，要用非線性方法才能精確分析其特性。

非線性相電感方程[7]：

電磁轉矩方程：

總電磁轉矩方程：

相電流方程：

開關磁阻電機的轉子位置和電流之間的關系如圖3所示。

圖3 開關磁阻電機的轉子位置和電流之間的關系

3.2 SRG的MATLAB/Simulink仿真模型

根據以上的開關磁阻發電機理論公式，構建了開關磁阻發電機在MATLAB／Simulink軟件中的四相8/6極仿真模型，如圖4所示。由PI調節器調節給定電壓和輸出電壓之間的電壓差，將開關信號加到主開關中，達成PWM控制。

SRG四相總體結構如圖5所示，一相內部結構如圖6所示。

4 仿真運行和分析

給定參數為：Lmin=15mH，Lmax=100mH，R=0.12Ω，n=1200r/ min，P=700W，J=0.0015kg·m2，F=0.0173。四相8／6極，采用不對稱半橋式功率變換器。仿真結果如圖7~圖10所示。

圖4 SRG四相8/6極仿真圖

圖5 SRG四相總體結構圖

圖6 SRG一相內部結構圖

圖7 一相電流波形

圖8 一相轉矩波形

圖9

圖10

建模得到的SRG一相電流波形，一相轉矩波形如圖7、圖8所示，其與理論波形一致。

變速恒頻發電就是當發電機轉速變化時，能輸出頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。

如圖9a所示，系統給定500V，轉速1200r／min建壓，在t=0.05s時，轉速下降，圖9b為該情況下的輸出電壓波形；圖10a所示，系統以轉速600r／min建壓，在t=0.05s時，轉速上升，圖10b為該情況下的輸出電壓波形。由仿真結果可以看出，電壓在閉環PI調節下，當轉速變化時，輸出電壓可以基本保持穩定。

5 結束語

本文在仿真軟件中創建了SRG的理論模型，并仿真其在變速運行時的發電情況。仿真結果表明，通過合理的控制方法，開關磁阻發電機可以變速恒頻發電，有效提高風能的利用效率。變速恒頻發電是風力發電技術發展的必然趨勢，也是風力發電中的關鍵核心技術，對SRG風電系統的研究具有很大的實用意義。

[1]盧林輝．小型開關磁阻風力發電機系統研究[D]．北京：中國礦業大學，2015.

[2]林顯軍，程小華．開關磁阻風力發電技術[J]．電機與控制應用，2011,38（9）：46-50.

[3]江偉，王建波．模糊自適應PID控制在開關磁阻風力發電系統中的應用研究[J]．湖南工業大學學報，2012,26(5)：41-45.

[4]高一然，孫玉環．開關磁阻電機功率變換器設計[J]．物聯網技術，2013(10)：13-15.

[5]常曉輝．開關磁阻風力發電系統控制策略研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[6]曹言敬，張旭隆，王峰．基于Buck變換器的開關磁阻電機風力發電系統控制[J]．電氣傳動自動化，2015（1）：6-9.

[7]韓建定，張東升．開關磁阻電動機調速控制器優化研究[J]．微電機，2016（11）：51-56.

[8] DW Choi,SI Byun,YH Cho. A study on the maximum power control method of switched reluctance generator for wind turbine. [J].IEEE Transactions on Magnetics,2014,50(1):1-4.

[9] C Sikder,I Husain,Y Sozer. Switched reluctance generator control for optimal power generation with current regulation[J].Industry Applications IEEE Transactions on,2014,50(1):307-316.

[10] B Ganji,M Heidarian,J Faiz. Modeling and analysis of switched reluctance generator using finite element method [J].Ain Shams Engineering Journal,2015,6(1):85-93.