畢業(yè)設(shè)計(jì)不對稱橋式電路驅(qū)動(dòng)的開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究.

1、摘要摘要隨著世界能源問題的日益突出，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)來越受到人們的重視，也同時(shí)成為各國學(xué)者的研究熱點(diǎn)。本文對開關(guān)磁阻電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用展開了研究文中首先對當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景進(jìn)行了總結(jié)。闡述開關(guān)磁阻電機(jī)適用于風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢，明確了研究開關(guān)磁阻電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的意義。其次文章先對開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)主電路結(jié)構(gòu)和其工作原理進(jìn)行了介紹，然后對電機(jī)進(jìn)行了電感與轉(zhuǎn)子位置角關(guān)系的分析、發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的分析、繞組電流的分析，并在這些分析的基礎(chǔ)上介紹了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的三種控制方法：角度位置控制（APC)、電流斬波控制(CCC)、PWM電壓控制。接下來文章介紹了利用理想電感模型的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，在

2、MATALAB/M.file環(huán)境中編制發(fā)電系統(tǒng)的程序模型，對開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。文章的最后是對整個(gè)系統(tǒng)仿真結(jié)果的說明和分析。所獲得的仿真數(shù)據(jù)一方面驗(yàn)證了此系統(tǒng)的有效性，另一方面通過對仿真數(shù)據(jù)的分析研究，初步掌握開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)理想的運(yùn)行情況，為今后進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電；MATLABI 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）AbstractAs the energy sources consume increasing daily, wind power is paid great attention by more and more countriesAnd

3、the technologies interests specialists and scholars in many countriesThis paper gave the research and experiment on theories, which focuses on the application of switched reluctance generator in wind generationFirstly, this paper summarized the actuality and the foreground of the technologies of win

4、d generationPresented several advantages of switched reluctance generator used in wind generation, and the significance of developing this systemSecondly paper introduced the operation principle of switched reluctance generator and the structure of its circuit Then analyses the relation between indu

5、ctance and angle position, energy conversion in switched reluctance generator and the phase currentOn the base of these analyse, paper introduced three control methods：The angle position control，the current chopping control and the PWM controlThe next paper describes using ideal inductor model SRG m

6、odel, in MATALAB/M.file environment making power generation system of program models, switched reluctance motor power generation system simulation.The last paper is on the whole system simulation results of description and analysis. The simulation data, on the one hand to verify the validity of this

7、 system, on the other hand through simulation data analysis studies grasped SRG ideal operating conditions for the future, provided the Foundation for further study.Keywords: Switched reluctance generation,Wind generation,MATLABIII 目 錄摘要IAbstractII目 錄III第1章 緒論11.1 課題背景11.1.1 風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢11.1.2 國外風(fēng)力發(fā)展情況21

8、.1.3 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)展情況21.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀31.3 本文的主要研究內(nèi)容41.3.1 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)適于風(fēng)力發(fā)電的幾大特點(diǎn)41.3.2 研究內(nèi)容簡述5第2章 典型的開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)綜述72.1 開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成72.2 風(fēng)力機(jī)的相關(guān)介紹72.2.1 風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)72.2.2 風(fēng)力機(jī)的簡單數(shù)學(xué)模型92.2.3 風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲原理92.3 SRG的工作機(jī)理112.3.1 SRG的基本結(jié)構(gòu)與工作原理112.3.2 SRG系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)122.3.3 SRG的數(shù)學(xué)模型132.4 不對稱橋式驅(qū)動(dòng)電路的介紹162.4.1 不對稱橋式驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)162.4.2 不對稱橋式驅(qū)

9、動(dòng)電路的工作狀態(tài)172.5 開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本的控制方式192.6 SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲的方法212.7 本章小結(jié)23第3章 仿真結(jié)果及分析243.1 電流斬波控制的SRG仿真結(jié)果和分析243.2 SRG平均功率仿真結(jié)果和分析263.3 SRG PI調(diào)節(jié)閉環(huán)的仿真結(jié)果和分析273.4 SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真結(jié)果和分析293.5 本章小結(jié)30結(jié)論31參考文獻(xiàn)33III第一章 緒論 第1章 緒論1.1 課題背景20世紀(jì)80年代以來，基于一次性能源的日益枯竭和環(huán)境保護(hù)的考慮，世界各國都把開發(fā)新的可再生能源作為能源發(fā)展方向。風(fēng)是一種永不枯竭的能源，地球上的風(fēng)能大大超過水流的能量，也大

10、于固體燃料和液體燃料能量的總和。風(fēng)能的利用不但簡單，而且機(jī)動(dòng)靈活，因此有著廣闊的發(fā)展前景。有人估計(jì)過，地球上可用來發(fā)電的風(fēng)力資源約有200億KW，幾乎是現(xiàn)在全世界水力發(fā)電裝機(jī)容量的10倍1，因此，國內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來發(fā)電。1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求日益增加，世界能源消耗量的持續(xù)增加，使全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)形勢愈發(fā)明顯，開發(fā)可再生能源成為實(shí)現(xiàn)世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。從1979年開始的第一次世界氣候大會(huì)提出保護(hù)氣候系統(tǒng)，到1992年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會(huì)通過聯(lián)合國氣候變化框架公約，然后是京都議定書的出臺(tái)，直到2009年的哥本哈根會(huì)議，國際社會(huì)為應(yīng)對

11、全球氣候變化做了很大努力。幾乎所有國家都把核能、水能、風(fēng)能、太陽能、生物能等低碳和無碳能源作為今后能源發(fā)展的重點(diǎn)。風(fēng)能是地球上是最古老、最重要的能源之一，分布廣、可再生、無污染，所以風(fēng)力發(fā)電成為世界可再生能源發(fā)展的重要研究方向。與其他新能源相比，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢為2：(1)地球上蘊(yùn)藏的風(fēng)力資源十分豐富，相當(dāng)于目前全世界每年燃燒礦物能源所產(chǎn)生能量的3000倍。全世界約有三分之二的地區(qū)可以利用風(fēng)力發(fā)電，若合理地利用風(fēng)能，建設(shè)獨(dú)立的小功率發(fā)電系統(tǒng)，將有相當(dāng)大的優(yōu)勢。(2)風(fēng)能在利用中既不會(huì)給空氣帶來污染，也不破壞生態(tài)環(huán)境，是一種清潔安全的可再生能源。(3)風(fēng)力發(fā)電的成本日益減小，從綜合經(jīng)濟(jì)效益看，具有

12、較強(qiáng)的競爭力。(4)風(fēng)力發(fā)電在新能源發(fā)電中技術(shù)最為成熟，是一種安全、可靠的能源。1.1.2 國外風(fēng)力發(fā)展情況歐洲風(fēng)電發(fā)展迅猛。20世紀(jì)90年代起，歐洲制定了風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃，確立了風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)：2010年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到40GW，并要求其成員國基于此發(fā)展目標(biāo)制定本國的發(fā)展目標(biāo)與計(jì)劃。在2007年年底，由于風(fēng)力發(fā)電事業(yè)勢頭迅猛，原來制定的計(jì)劃已經(jīng)趕不上風(fēng)電發(fā)展的步伐，所以歐洲又進(jìn)一步修訂了風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃和目標(biāo)：2010年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到80GW，到2020年歐洲風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到180GW。加快實(shí)現(xiàn)歐盟綠色能源的目標(biāo)。根據(jù)世界兩大風(fēng)能專業(yè)機(jī)構(gòu)“歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)(EWEA)”和“全球風(fēng)能委員會(huì)(GWEC)”最新發(fā)

13、布的數(shù)據(jù)，2009年全球風(fēng)電市場發(fā)展迅速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)到37500 MW，相當(dāng)于23臺(tái)第三代核反應(yīng)堆核電機(jī)組(EPR)發(fā)電量，風(fēng)電增長率高達(dá)31%。世界風(fēng)能市場裝機(jī)建設(shè)資金達(dá)450億歐元，提供50萬個(gè)就業(yè)崗位。風(fēng)能每年可以減少2.04億噸的二氧化碳排放量。因此在不太遙遠(yuǎn)的未來，風(fēng)電將成為歐洲以至于世界的主要替代能源。1.1.3 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)展情況進(jìn)入21世紀(jì)以來，工業(yè)化和城市化步伐加快，能源供給不足在一定程度上制約著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，前幾年我國能源消費(fèi)增長情況見圖1-1。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，能源需求還會(huì)繼續(xù)增長，為解決供需矛盾和資源環(huán)境制約，我國迫切需要走出一條

14、中國特色新型能源發(fā)展道路。以較小的能源資源和環(huán)境代價(jià)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。按照國家規(guī)劃，未來15年，全國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到2000萬至3000萬KW。以每千瓦裝機(jī)容量設(shè)備投資7000元計(jì)算，近幾年內(nèi)風(fēng)電設(shè)備市場投資將高達(dá)2000億元左右。而且據(jù)專家稱，到2020年，風(fēng)電平均每年至少增加1000萬KW，累計(jì)需要投資1.5萬億。到2020年，我國風(fēng)電開發(fā)裝機(jī)總規(guī)模有望超過1億KW。據(jù)國家能源局的數(shù)據(jù)，我國風(fēng)電裝機(jī)容量截至2008年底實(shí)現(xiàn)連續(xù)三年翻番增長，達(dá)到1217萬KW。2008年我國新增風(fēng)電機(jī)組5130多臺(tái)，裝機(jī)容量624.6萬KW，新增裝機(jī)增長率為89%。居世界第四位。圖1-1 近

15、年來我國能源消費(fèi)增長情況圖在2009年累計(jì)的風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過西班牙，上升到全球第三位。截至2009年底，我國風(fēng)電并網(wǎng)總量累計(jì)將達(dá)到1613萬KW，僅內(nèi)蒙古地區(qū)的風(fēng)電設(shè)備容量就超過了500萬kW。預(yù)計(jì)2010年底有望突破3000萬kW。如今國內(nèi)風(fēng)電市場正在從高速增長轉(zhuǎn)入平穩(wěn)增長階段，未來三年復(fù)合增長率將達(dá)到17.4%，2010年前后整機(jī)供求關(guān)系將趨于平衡，內(nèi)資企業(yè)市場份額繼續(xù)提升。從長期和全球的角度來看，未來幾十年內(nèi)全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)仍將是高速增長的朝陽行業(yè)，將給相關(guān)企業(yè)帶來廣闊發(fā)展空間。1.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，最終要依賴于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步。風(fēng)力發(fā)電的過程就是風(fēng)能經(jīng)由機(jī)械

16、能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。這一部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量，也影響到風(fēng)能吸收裝置的運(yùn)行方式、效率和結(jié)構(gòu)。因此，研制適用于風(fēng)電轉(zhuǎn)換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究重點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩個(gè)主要部件是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)，而風(fēng)力機(jī)的變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)和發(fā)電機(jī)的變速恒頻發(fā)電技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵核心技術(shù)。本文著重介紹發(fā)電機(jī)的變速恒頻發(fā)電技術(shù)。變速恒頻發(fā)電是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新型發(fā)電方式，它將電力電子技術(shù)、矢量變換控制技術(shù)和微機(jī)信息處理技術(shù)引入發(fā)電機(jī)控制之

17、中，改變了以往恒速才能恒頻的傳統(tǒng)發(fā)電概念。在風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中，變速恒頻發(fā)電技術(shù)更表現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)越性。風(fēng)力是一種具有隨機(jī)性、爆發(fā)性、不穩(wěn)定性特征的能源，用于風(fēng)能捕獲的風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下有一個(gè)最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，此時(shí)對風(fēng)能的捕獲效率最高，而且風(fēng)施加給風(fēng)力機(jī)的應(yīng)力最小，所以應(yīng)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在這個(gè)優(yōu)化的轉(zhuǎn)速下。傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式由于只能固定運(yùn)行在某一轉(zhuǎn)速上，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)風(fēng)力機(jī)就會(huì)偏離最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致運(yùn)行效率下降，不但浪費(fèi)風(fēng)力資源，而且增大風(fēng)力機(jī)的磨損。采用變速恒頻發(fā)電方式，就可按照捕獲最大風(fēng)能的要求，在風(fēng)速變化的情況下實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速上，從而提高了機(jī)組發(fā)電效率，優(yōu)化

18、了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行條件。1.3 本文的主要研究內(nèi)容1.3.1 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)適于風(fēng)力發(fā)電的幾大特點(diǎn)普通的發(fā)電機(jī)如：感應(yīng)發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)要輸出固定電壓，其轉(zhuǎn)速也須固定，然而風(fēng)速是時(shí)刻變化的，所以風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速必須固定不變(即恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng))，導(dǎo)致風(fēng)能利用效率低下。顯然，如果使用變速發(fā)電機(jī)就能提高風(fēng)能利用效率(即變速恒頻發(fā)電系統(tǒng))，而開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)正滿足了這樣的要求。設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般需要著重考慮以下幾個(gè)問題：(1)高質(zhì)量的將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。(2)高效率的實(shí)現(xiàn)上述兩種能量轉(zhuǎn)換，以降低每度電的成本。(3)穩(wěn)定可靠的同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)及其他發(fā)電裝置或儲(chǔ)能系

19、統(tǒng)聯(lián)臺(tái)運(yùn)行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。據(jù)此衡量開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，可以發(fā)現(xiàn)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電的如下優(yōu)勢：(1)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可以方便的發(fā)出電壓恒定的直流電，尤其對于他勵(lì)方式，輸出電壓直接由勵(lì)磁電壓決定，而與轉(zhuǎn)速無關(guān)。在自勵(lì)方式下，也可以通過自身的控制器實(shí)現(xiàn)電壓恒定。(2)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上無刷、無繞組、無永久磁體，因此成本低廉：不存在銅耗，發(fā)電效率高；同時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距低，動(dòng)態(tài)相應(yīng)好。并且該系統(tǒng)是自同步運(yùn)行的，在低頻時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)那種變頻供電的感應(yīng)電機(jī)在低頻時(shí)出現(xiàn)的不穩(wěn)定和振蕩問題。因此即使在風(fēng)速較低的情況下，通過合理的設(shè)計(jì)，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)也可以在風(fēng)力直接驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)較高的

20、發(fā)電效率，從而省去了齒輪箱，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加輕便、可靠，這也是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3。(3)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，能夠在寬廣的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，因而可以適應(yīng)不同風(fēng)速的要求，更高效地利用風(fēng)能。(4)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可控參數(shù)多，如開通角、關(guān)斷角、直流斬波限、勵(lì)磁電壓等，可方便的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略，靈活的控制輸出直流電壓和電流。(5)若在直流輸出的基礎(chǔ)上采用逆變技術(shù)，則可以獲得所需幅值和頻率的交流電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。亦可以單獨(dú)或與其他發(fā)電裝置或儲(chǔ)能裝置聯(lián)合發(fā)電。(6)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有自勵(lì)能力，在自勵(lì)模式下，只需小容量的直流起勵(lì)電源，就可以自動(dòng)建立電壓。若與蓄電池構(gòu)成互補(bǔ)系統(tǒng)，更可以

21、體現(xiàn)分時(shí)勵(lì)磁和發(fā)電的優(yōu)勢。在風(fēng)力充足時(shí)，一方面，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)從蓄電池獲得勵(lì)磁，另一方面，又給負(fù)載供電，同時(shí)給蓄電池充電(由于SRG發(fā)出的電流脈動(dòng)，有利于蓄電池的充電)將剩余的電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存起來。當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)，蓄電池的儲(chǔ)能將釋放出來，供負(fù)載使用。此外，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、耐高溫性能好，十分適合風(fēng)力發(fā)電的野外作業(yè)環(huán)境。綜上所述，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿脱芯績r(jià)值。1.3.2 研究內(nèi)容簡述本文以開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)資料，對開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理，系統(tǒng)的建模與仿真，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略等方面進(jìn)行了分析與探討，并編

22、制了一套開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的程序，對此系統(tǒng)進(jìn)行了具體的仿真和仿真結(jié)果分析，并取得了相應(yīng)的成果。本文共分三章，分別對上述內(nèi)容和仿真結(jié)果進(jìn)行論述。第一章 緒論 本章結(jié)合文獻(xiàn)綜述，比較全面地介紹了當(dāng)前國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出風(fēng)力發(fā)電是解決我國能源和電力短缺最現(xiàn)實(shí)選擇?？偨Y(jié)了現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，包括開關(guān)磁阻電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。提出開關(guān)磁阻電機(jī)適于風(fēng)力發(fā)電的幾大優(yōu)勢，進(jìn)一步明確開發(fā)開關(guān)磁阻電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的意義。此外，也對全文的內(nèi)容作了概括性介紹。第二章 SRG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理 本章對開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)SRG的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行闡述。不對稱式電路的工作原理和具體的工作過程；討論了SRG的線性

23、數(shù)學(xué)模型：系統(tǒng)、深入地研究了SRG發(fā)電運(yùn)行的控制方式：角度位置控制(APC)、PWM電壓控制(PWM)、電流斬波控制(CCC)：對開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、最大風(fēng)能追蹤控制原理及控制方案進(jìn)行探討。第三章 SRG系統(tǒng)建模及仿真分析 本章建立了SRG系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上用Matlab/M.file仿真軟件編制了SRG系統(tǒng)的仿真程序，分別對SRG開環(huán)系統(tǒng)、功率閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制進(jìn)行仿真分析。5第二章 典型的開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)綜述 第2章 典型的開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)綜述2.1 開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成 典型的開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是以SRG為機(jī)電能量轉(zhuǎn)

24、換核心的發(fā)電系統(tǒng)，主要包括風(fēng)力機(jī)，變速箱，SRG，不對稱橋式功率變換器，位置傳感器，控制器，蓄電池或負(fù)載等部分，如圖2-1所示。圖2-1 典型的開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，提供系統(tǒng)機(jī)械能輸入；變速箱將風(fēng)力機(jī)捕獲的能量傳遞給SRG并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速；蓄電池給SRG提供初始勵(lì)磁；位置傳感器檢測SRG正確的轉(zhuǎn)子位置信息；控制器根據(jù)SRG的轉(zhuǎn)子位置信息以及電流電壓信號控制不對稱橋式功率變換器開關(guān)器件的適時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷；蓄電池是系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能和為發(fā)電機(jī)提供初始勵(lì)磁電壓。 2.2 風(fēng)力機(jī)的相關(guān)介紹2.2.1 風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的能

25、量轉(zhuǎn)化裝置，按照風(fēng)能接收裝置的結(jié)構(gòu)形式和空間布置一般可分為兩大類：水平軸式風(fēng)力機(jī)和垂直軸式風(fēng)力機(jī)。水平軸式風(fēng)力機(jī)是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機(jī)最常用的一種形式，其主要由以下幾部分組成：風(fēng)輪、聯(lián)軸器、變速箱、對風(fēng)裝置、調(diào)速機(jī)構(gòu)、做功裝置、儲(chǔ)能裝置、塔架等4。(1)風(fēng)輪 風(fēng)輪一般由葉片、葉柄、輪轂及風(fēng)輪軸等組成。風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)最重要的部件，是風(fēng)力機(jī)區(qū)別于其它動(dòng)力機(jī)的主要標(biāo)志。其作用是捕捉和吸收風(fēng)能，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)一般為14枚，常用的是2枚或3枚。(2)聯(lián)軸器 風(fēng)輪軸與變速箱之間用聯(lián)軸器連接，稱為低速聯(lián)軸器；增速箱與發(fā)電機(jī)之間也用聯(lián)軸器連接，稱為高速聯(lián)軸器。(3)變速箱 由于

26、風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速低而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高，為了匹配發(fā)電機(jī)，要在低速的風(fēng)輪軸和高速的發(fā)電機(jī)軸之間連接一個(gè)變速箱。簡言之，變速箱就是一個(gè)提高轉(zhuǎn)速的變速器。(4)對風(fēng)裝置 自然界風(fēng)的方向和速度經(jīng)常變化，設(shè)置對風(fēng)裝置就是為了使風(fēng)力機(jī)能夠有效地捕捉和吸收風(fēng)能，以跟蹤風(fēng)向的變化，保證風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)。常用風(fēng)力機(jī)的對風(fēng)裝置有尾舵、舵輪、電動(dòng)機(jī)構(gòu)和自動(dòng)對風(fēng)。(5)調(diào)速機(jī)構(gòu) 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的增大而變快，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過設(shè)計(jì)允許的最大值后，有可能影響機(jī)組的使用壽命，甚至造成設(shè)備的毀壞。調(diào)速機(jī)構(gòu)能夠使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)運(yùn)行，防止風(fēng)速過大引起飛車，并且在風(fēng)速降至停機(jī)風(fēng)速時(shí)，能夠使風(fēng)輪順槳停機(jī)。風(fēng)力機(jī)的調(diào)速機(jī)構(gòu)大體上有三

27、種基本方式：減少風(fēng)輪的迎風(fēng)面積；改變翼型攻角值和利用空氣阻尼力限制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。(6)做功裝置 將風(fēng)輪轉(zhuǎn)化成的機(jī)械能提供給做功裝置，使其按既定的意圖做功，最終將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。(7)儲(chǔ)能裝置 由于風(fēng)時(shí)大時(shí)小、時(shí)有時(shí)無，因而風(fēng)力機(jī)輸出的功率是不穩(wěn)定的。儲(chǔ)能裝置就是將有限的能量儲(chǔ)存起來，在合適的時(shí)候使用。(8)塔架 塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支架，把風(fēng)輪等部件舉到設(shè)計(jì)高度處運(yùn)行。塔架承受兩個(gè)載荷：一是風(fēng)力機(jī)的重力；二是風(fēng)吹向風(fēng)輪等部件的壓力。2.2.2 風(fēng)力機(jī)的簡單數(shù)學(xué)模型假定風(fēng)輪是理想的，根據(jù)貝茲(Betz)理論5，風(fēng)力機(jī)實(shí)際得到的功率與風(fēng)速的三次方有關(guān)，則單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能P為： (2-1)

28、式中：空氣密度； R風(fēng)輪葉片半徑； A風(fēng)輪掃掠面積，； Cp風(fēng)能利用系數(shù)，反映了風(fēng)力機(jī)利用風(fēng)能的效率，是葉尖速比和葉片槳距角的函數(shù)；v風(fēng)速。葉尖速比是風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度與風(fēng)速的比值，定義為： (2-2)式中：T風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度。將式(2-2)代入式(2-1)，可以得到單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能與其旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度之間的關(guān)系式，如式(2-3)所示。 (2-3)因此，利用此公式可以在理論上實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和機(jī)械能之間高效率的轉(zhuǎn)換。2.2.3 風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲原理假定風(fēng)力機(jī)的葉片槳距角固定不變，則風(fēng)能利用系數(shù)Cp的大小主要取決于葉尖速比。葉尖速比一般介于012之間，當(dāng)風(fēng)速保持不變時(shí)，根據(jù)式(2-2)

29、，葉尖速比越大，風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度越大。對于一臺(tái)特定的風(fēng)力機(jī)，在葉片槳距角保持不變時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)的葉尖速比，使得Cp最大，即Cpmax，此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能P最大，即Pmax。由此可見，在單位時(shí)間內(nèi)，為了捕獲到最大風(fēng)能Pmax，必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)整風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度。換言之，對于一個(gè)特定的風(fēng)速v，風(fēng)力機(jī)只有運(yùn)行在一個(gè)特定的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度T下才能夠得到最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，即Topt。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，理論上風(fēng)力機(jī)輸出的功率超過風(fēng)力機(jī)的額定輸出功率Pe，此時(shí)要以風(fēng)力機(jī)的額定輸出功率Pe為準(zhǔn)。根據(jù)以上描述，當(dāng)風(fēng)速保持不變時(shí)，由式(2-3)可以得到單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)力機(jī)捕獲的最大

30、風(fēng)能Pmax為 (2-4)式中：Cpmax最大風(fēng)能利用系數(shù)；最優(yōu)葉尖速比；Topt風(fēng)力機(jī)最佳旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度。 圖2-2 典型的Cp-曲線 圖2-3 輸出功率P(v,T)曲線在葉片槳距角保持不變時(shí)，典型的Cp-曲線如圖2-2所示。不同風(fēng)速v和不同風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度T下的風(fēng)力機(jī)輸出功率特性曲線如圖2-3所示。從圖2-2、圖2-3可以看出，在葉片槳距角保持不變的情況下，即定槳距風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)可以總結(jié)如下14：(1)在葉片槳距角保持不變時(shí)，有一個(gè)最佳的葉尖速比，對應(yīng)著最大的風(fēng)能利用系數(shù)。(2)不超過額定風(fēng)速時(shí)，對應(yīng)某一個(gè)固定的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度，風(fēng)速越大，風(fēng)力機(jī)輸出的功率越大。(3)在風(fēng)速保持不變時(shí)，風(fēng)力

31、機(jī)在某一個(gè)特定的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度下才能輸出最大功率，旋轉(zhuǎn)角機(jī)械速度較小或較大，都會(huì)降低輸出功率。(4)最佳旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度是對應(yīng)于某一個(gè)特定風(fēng)速來說的，風(fēng)速變化，最佳旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度也會(huì)隨之改變。2.3 SRG的工作機(jī)理2.3.1 SRG的基本結(jié)構(gòu)與工作原理SRG采用雙凸極結(jié)構(gòu)，其定子和轉(zhuǎn)子均是由普通的硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，定子上繞有集中繞組，徑向相對的兩個(gè)繞組可以串聯(lián)或并聯(lián)在一起，稱為“一相”。SRG可以設(shè)計(jì)成多種不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，且定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)有不同的搭配。常見的搭配有三相6/4極、三相6/8極、三相12/8極，四相8/6極、四相8/10極等。其三相12/8極電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖2

32、-4所示。圖2-4 三相12/8極SRG結(jié)構(gòu)SRG的工作原理遵循“磁阻最小化原理”磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)SRG旋轉(zhuǎn)，在適當(dāng)?shù)奈恢媒o某相通電，轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極不重合，便會(huì)有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相反的阻力矩使其趨向于磁阻最小的位置，即轉(zhuǎn)子凸極中心與定子磁極軸線對齊的位置，同時(shí)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成磁能儲(chǔ)存在磁場中；在適當(dāng)?shù)奈恢媒o此相斷電，儲(chǔ)存在磁場中的磁能便釋放出來，并轉(zhuǎn)化成電能回饋至電源，從而完成了機(jī)械能和電能之間以磁能為媒介的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化過程。用同樣的方法給下一相通電，連續(xù)不斷地按照順序給電機(jī)各相勵(lì)磁，作用在轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能將源源不斷地轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行1

33、5。下面對SRG的運(yùn)行過程做一個(gè)簡單敘述，圖2-4所示出三相(128極)SR發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，圖中僅畫出A相一部分繞組及其供電電路，其余各相與此相相同10。設(shè)發(fā)電機(jī)在外力的驅(qū)動(dòng)下，以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)定子C相繞組與轉(zhuǎn)子磁極2軸線重合，此時(shí)給定子A相繞組通電，即開關(guān)S1、S2閉合，該相通過直流電源U進(jìn)行勵(lì)磁。磁力線由定子軛經(jīng)定子極A、氣隙、轉(zhuǎn)子極1、鐵心、轉(zhuǎn)子極。再回經(jīng)定子極，形成閉合回路。由于定子A相繞組軸線與轉(zhuǎn)子極1-不重合，根據(jù)“磁路最短原則”，轉(zhuǎn)子極l-將有向定子極A-運(yùn)動(dòng)的趨勢，并受到該方向的力矩作用，即順時(shí)針方向，與驅(qū)動(dòng)力矩相反，同時(shí)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能將轉(zhuǎn)化成磁能貯藏在磁場中。當(dāng)開關(guān)S1

34、、S2斷開時(shí)，A-相電流通過二極管Dl、D2續(xù)流，繞組內(nèi)的電流方向不改變，電源U極性與原來相反，此時(shí)儲(chǔ)存在磁場中的磁能將釋放出來，并轉(zhuǎn)化成電能，回饋至電源。從而完成了機(jī)械能和電能之間以磁場為媒介的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化過程。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)至B-B軸線與轉(zhuǎn)子極2-2軸線重合時(shí)，將勵(lì)磁切換至C-相，則C-相與轉(zhuǎn)子極2-之間相互作用將和A-與轉(zhuǎn)子極1-之間相同。因此，連續(xù)不斷地按照A-C-B-A的順序給電機(jī)各相勵(lì)磁，作用在轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能將源源不斷地轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行。反之，若作用在SRG轉(zhuǎn)子上的外力方向改變時(shí)，只需改變各相的勵(lì)磁順序，即C-B-A-C，即可維持其發(fā)電狀態(tài)。此外，在SRG中，轉(zhuǎn)子的受力方向與繞

35、組通電的方向無關(guān)，僅取決于通電順序，這也是開關(guān)磁阻電機(jī)不同于一般交流電機(jī)之處。 2.3.2 SRG系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要由SR發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路及檢測電路四個(gè)主要部分構(gòu)成，其關(guān)系如圖2-5所示。SR發(fā)電機(jī)是整個(gè)SRG系統(tǒng)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的核心部件，其工作原理己在2.3.1節(jié)中闡述。驅(qū)動(dòng)電路是系統(tǒng)的通道，承擔(dān)著勵(lì)磁功率輸入與發(fā)電功率輸出的雙重任務(wù)。SR發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)主電路的結(jié)構(gòu)型式與供電電壓、發(fā)電機(jī)的相數(shù)及主開關(guān)器件的種類等有關(guān)?？刂齐娐肥钦麄€(gè)系統(tǒng)的大腦。它綜合處理電壓指令、電流傳感器及位置傳感器的反饋信息，控制驅(qū)動(dòng)電路中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對SR發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。圖2-5

36、 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖位置傳感器負(fù)責(zé)捕獲位置信號，是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)自同步運(yùn)行和系統(tǒng)控制的重要基礎(chǔ)，可分為兩大類：直接位置檢測和間接位置檢測。前者一般指光電式、敏式及接近開關(guān)等含有機(jī)械結(jié)構(gòu)的檢測方案；后者則是指所謂的無位置傳感器的檢測方法，如采用定子繞組瞬態(tài)電感信息的波形檢測法、基于狀態(tài)觀測器的無位置傳感器以及反串線圈法檢測技術(shù)等。目前，國內(nèi)廣泛采用的是光電式位置檢測器。電流傳感器則是進(jìn)行閉環(huán)控制的需要，通常采用霍爾傳感器。2.3.3 SRG的數(shù)學(xué)模型2.3.3.1 SRG數(shù)學(xué)模型建立的方法 到目前為止，主要采用四種方法建立SRG的數(shù)學(xué)模型：理想線性模型、準(zhǔn)線性模型、非線性模型和查表法。鑒

37、于本課題的研究深度，下面對理想線性模型進(jìn)行詳細(xì)介紹：(1)理想線性模型10 電機(jī)磁路飽和的影響，相電感與相電流的大小無關(guān)，且忽略磁通的邊緣效應(yīng)以及所有的損耗，此條件下的電機(jī)模型就是理想線性模型，相電感僅僅是轉(zhuǎn)子位置角的分段線性函數(shù)。這種方法大大簡化了電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系，可以了解電機(jī)工作的基本特性和各參數(shù)間的相互關(guān)系，并作為深入探討各種控制方式的依據(jù)。但求解的誤差較大，精度較低。在理想線性模型中，相電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化關(guān)系如圖2-6示。圖2-6 相電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系圖2-6中，SRG在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，1為轉(zhuǎn)子凸極的前沿與定子磁極的后沿相遇的位置。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1后，相電感開始線性上

38、升至2，2為轉(zhuǎn)子凸極前沿與定子磁極前沿重疊處，這時(shí)轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極完全重疊，相電感變?yōu)樽畲笾礚max。基于電機(jī)綜合性能的考慮，其轉(zhuǎn)子極弧r通常要求大于定子極弧s，因此在23區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極全部重疊，相電感保持在最大值Lmax。u為轉(zhuǎn)子凸極中心與定子磁極軸線對齊的位置，稱為對齊位置。3為轉(zhuǎn)子凸極后沿與定子磁極后沿相遇的位置，至此，相電感開始線性下降，直到4處降為最小值Lmin，4為轉(zhuǎn)子凸極后沿與定子磁極前沿重合處。在45區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極不相重疊，電感保持最小值Lmin不變。a為轉(zhuǎn)子凹槽中心與定子磁極軸線重合的位置，稱為不對齊位置。5與1位置相同，如此周而復(fù)始，往復(fù)循環(huán)。由圖

39、2-6所示的理想線性模型中，在相電感的一個(gè)周期15內(nèi)，可以將相電感分成四段，則相電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系式可以表示為 (2-5)式中：；Lmin相電感最小值；Lmax相電感最大值；s定子極弧。2.3.3.2 SRG基本方程式SRG運(yùn)行理論與任何電磁式機(jī)電裝置運(yùn)行理論在本質(zhì)上沒有區(qū)別，其主要有以下方程式組成，由此可以建立SRG的數(shù)學(xué)模型。(1)電壓方程 SRG的相繞組有兩種工作狀態(tài)：勵(lì)磁狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。其中一相繞組的等效電路如圖2-7所示。(a) 發(fā)電狀態(tài) (b) 勵(lì)磁狀態(tài)圖2-7 一相繞組的等效電路圖2-7(a)中，開關(guān)管Tk1、Tk2導(dǎo)通，電機(jī)繞組處于勵(lì)磁狀態(tài)，此狀態(tài)下相繞組的電壓方程為 (2

40、-6)式中：Uk第k相繞組的電壓；Rk第k相繞組的電阻；ik第k相繞組的電流；Lk第k相繞組的電感；轉(zhuǎn)子位置角；電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度，。圖2-7(b)中，開關(guān)管Tk1、Tk2關(guān)斷，相電流通過二極管Dk1、Dk2續(xù)流，電機(jī)繞組處于發(fā)電狀態(tài)，此狀態(tài)下相繞組的電壓方程為 (2-7)在電壓方程中，等式右端第一項(xiàng)為第k相回路中的電阻壓降；第二項(xiàng)是由相電流變化引起繞組中的磁鏈變化而感應(yīng)的電動(dòng)勢，稱為變壓器電動(dòng)勢；第三項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子位置角改變引起繞組中的磁鏈變化而感應(yīng)的電動(dòng)勢，稱為運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢。 (2)轉(zhuǎn)矩公式 理由理想電感模型，SRG的電磁轉(zhuǎn)矩可以通過其磁場儲(chǔ)能或磁共能對轉(zhuǎn)子位置角的偏導(dǎo)數(shù)求得，即： (2-8)由

41、式(2-5)式(2-8)可以建立SRG的數(shù)學(xué)模型。2.4 不對稱橋式驅(qū)動(dòng)電路的介紹2.4.1 不對稱橋式驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2-8 自勵(lì)模式圖2-9 他勵(lì)模式SRG的不對稱橋式功率變換器有自勵(lì)模式和他勵(lì)模式之分8，兩者的主要區(qū)別在于電源的連接方式不同。以三相SRG為例，自勵(lì)模式和他勵(lì)模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖2-8、圖29所示。(1)自勵(lì)模式 如圖2-8所示，Us是起勵(lì)電源，給SRG提供初始勵(lì)磁。SRG發(fā)出的電能給電容C充電，當(dāng)電容C達(dá)到所需的初始值后，斷開Us，此后SRG依賴電容C的存儲(chǔ)功能給繞組勵(lì)磁，進(jìn)行自勵(lì)發(fā)電。以A相為例，當(dāng)開關(guān)管Ta1、Ta2導(dǎo)通時(shí)，電路處于勵(lì)磁狀態(tài)，電容C對A相繞組進(jìn)行

42、勵(lì)磁，同時(shí)給負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)管Ta1、Ta2關(guān)斷時(shí)，電路處于發(fā)電狀態(tài)，A相電流通過二極管Da1、Da2續(xù)流，繞組電流方向保持不變，但直流母線電流方向相反，一方面給電容C充電，另一方面給負(fù)載供電。自勵(lì)模式中，建壓后不再需要外電源，系統(tǒng)體積較小，效率高，是比較常用的形式。(2)他勵(lì)模式 如圖2-9所示，Us為勵(lì)磁電源，始終給SRG提供勵(lì)磁；電容C起著儲(chǔ)能和穩(wěn)壓的雙重作用。以A相為例，當(dāng)開關(guān)管Ta1、Ta2導(dǎo)通時(shí)，電路處于勵(lì)磁狀態(tài)，勵(lì)磁電源Us對A相繞組進(jìn)行勵(lì)磁；當(dāng)開關(guān)管Ta1、Ta2關(guān)斷時(shí)，電路處于發(fā)電狀態(tài)，A相電流通過二極管Da1、Da2續(xù)流，給電容C充電，并給負(fù)載供電。他勵(lì)模式中，勵(lì)磁回路與發(fā)

43、電回路彼此獨(dú)立。勵(lì)磁電壓與發(fā)電電壓無關(guān)，兩者可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，控制比較方便。2.4.2 不對稱橋式驅(qū)動(dòng)電路的工作狀態(tài)下面詳細(xì)分析一下不對稱橋式功率變換器自勵(lì)模式的工作狀態(tài)。隨著各相橋臂開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，每相繞組有三種工作狀態(tài)6：勵(lì)磁狀態(tài)（1狀態(tài)），續(xù)流狀態(tài)（0狀態(tài)）和發(fā)電狀態(tài)（-1狀態(tài)）。以A相為例，圖2-9給出了三種工作狀態(tài)。 (a) 勵(lì)磁狀態(tài) (b) 續(xù)流狀態(tài) (c) 發(fā)電狀態(tài) 圖2-10 自勵(lì)式功率變換器的工作狀態(tài)圖2-10(a)中，A相上下兩個(gè)開關(guān)管Ta1、Ta2同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)加到相繞組上的電壓為正的直流電壓UC，相繞組處于勵(lì)磁狀態(tài)。SRG把從直流電源吸收的電能和從主軸輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化

44、成磁能，儲(chǔ)存在電機(jī)磁路中，相電流上升。其電壓方程為 (2-15)式中：RaA相繞組的電阻；iaA相繞組的電流；LaA相繞組的電感。圖2-10(b)中，A相上面開關(guān)管Ta1關(guān)斷，下面開關(guān)管Ta2導(dǎo)通，此時(shí)加到相繞組上的電壓為零，相繞組處于續(xù)流狀態(tài)，相電流通過二極管Da2續(xù)流。其電壓方程為 (2-16)圖2-10(c)中，A相上下兩個(gè)開關(guān)管Ta1、Ta2同時(shí)關(guān)斷，此時(shí)加到相繞組上的電壓為負(fù)的直流電壓UC，相繞組處于發(fā)電狀態(tài)，相電流通過二極管Da1、Da2續(xù)流。SRG把從主軸輸入的機(jī)械能和儲(chǔ)存在電機(jī)磁路中的磁能轉(zhuǎn)化成電能輸出。其電壓方程為 (2-17)如式(2-17)，在發(fā)電狀態(tài)，若運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢小于加

45、到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流下降；若運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢等于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流保持不變；若運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢大于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流上升，這是理想的相電流波形，有利于系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的提高。2.5 開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本的控制方式SRG轉(zhuǎn)子上沒有繞組，其定子同時(shí)兼有勵(lì)磁繞組和電樞繞組的功能，因此SRG的勵(lì)磁和發(fā)電是分時(shí)性的。SRG的可控變量一般有勵(lì)磁電壓、開通角、關(guān)斷角和相電流這四個(gè)參數(shù)16。因此開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本的控制方式一般分為：角度位置控制(簡稱APC)、電流斬波控制(簡稱CCC)、脈寬調(diào)制控制(簡稱PWM控制)。(1)APC方式：圖2-11 角度位置控制如圖2-11所示，APC

46、方式就是直接調(diào)節(jié)開通角on和關(guān)斷角off，從而影響電機(jī)的勵(lì)磁過程，進(jìn)而影響輸出功率的大小。在=on時(shí)，開關(guān)器件導(dǎo)通，在=off時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷。若on減小或off增大，勵(lì)磁時(shí)間增加，則勵(lì)磁電流增大，SRG的發(fā)電能力增大。但on提前過多或off推遲過多反而會(huì)使輸出功率降低，因此兩者都有一個(gè)最優(yōu)值23，此時(shí)能夠獲得最大的輸出功率。這種方式比較簡便，但相電流不可控，其變化率很大，對于開通角和關(guān)斷角的微小變化都十分敏感，在調(diào)節(jié)上存在一定的困難。(2)CCC方式：圖2-12 電流斬波控制如圖2-12所示，CCC方式就是設(shè)置斬波閾值，限制電流上、下幅值。在一個(gè)控制周期內(nèi)，檢測相電流與給定電流的上下限幅值相

47、比較，當(dāng)檢測相電流大于給定電流的上限幅值時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷，相電流減??；當(dāng)檢測相電流小于給定電流的下限幅值時(shí)，開關(guān)器件開通，相電流增大。如此反復(fù)，最終使相電流在給定值附近上下波動(dòng)。這種方式同樣比較簡便，可控性能好。與后面的PWM方式相比，具有較小的開關(guān)損耗，是比較常用的控制方式。但電流的斬波頻率不固定，它隨著電流誤差變化而變化，不利于電磁噪聲的消除，且發(fā)電期間的相電流不可控。(3)PWM電壓控制方式14,15：如圖2-13所示，PWM電壓控制方式就是將開通角on和關(guān)斷角off固定在優(yōu)化值上，在onoff區(qū)間用PWM信號對開關(guān)器件的觸發(fā)信號實(shí)施調(diào)制，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比D來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的平均

48、值，從而調(diào)控勵(lì)磁電流的大小。D越大，勵(lì)磁電流越大，SRG的有效輸出功率也越大。圖2-13 PWM電壓控制這種方式的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是可控性能好。勵(lì)磁電流和占空比具有很好的線性關(guān)系，且PWM信號的周期即為系統(tǒng)的調(diào)控周期，能夠獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。但需要較高的開關(guān)頻率，開關(guān)器件的頻繁通斷增加了開關(guān)損耗，所以系統(tǒng)效率略有降低。2.6 SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲的方法風(fēng)力機(jī)的功率特性有其自身的特點(diǎn)，為了捕獲到最大風(fēng)能，必須使SRG與風(fēng)力機(jī)能夠良好的配合，通過對發(fā)電系統(tǒng)的控制，使風(fēng)力機(jī)工作在最佳功率特性曲線上。開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲的方法有很多種，比如模糊控制、自抗擾控制、最大功率搜索控制、

49、自適應(yīng)控制等。本文主要討論三種控制方法：(1)風(fēng)速跟蹤控制方法8,9。如圖2-14，此控制方法的思路是：根據(jù)測風(fēng)裝置觀測到的風(fēng)速v，按照風(fēng)力機(jī)最佳功率特性曲線的要求給定功率PT*，PT*與SRG的輸出功率Po相比較得到誤差量P，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器給出SRG相電流的斬波限i-ref，控制參數(shù)i-ref結(jié)合SRG相繞組的開通角on、關(guān)斷角off以及當(dāng)前電機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度決定了SRG的輸出電流i，也就決定了SRG的輸出功率Po。2-14 風(fēng)速跟蹤控制此控制方法簡潔明了，可以使風(fēng)力機(jī)工作在最佳功率特性曲線上，轉(zhuǎn)換效率較高。但需要知道風(fēng)力機(jī)的功率特性曲線，增加了測風(fēng)裝置，提高了成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。

50、(2)轉(zhuǎn)速反饋控制方法11,12。如圖2-15，此控制方法的思路是：當(dāng)風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)至SRG發(fā)電運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度T，以及其特征參數(shù)(Cpmax,opt)計(jì)算出給定功率PT*，PT*與SRG的輸出功率Po相比較得到誤差量P，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器給出SRG相電流的斬波限i-ref，控制參數(shù)i-ref結(jié)合SRG相繞組的開通角on、關(guān)斷角off以及當(dāng)前電機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度決定了SRG的輸出電流i，也就決定了SRG的輸出功率Po。輸出功率Po變化將導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩Te的變化，從而影響電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度。2-15 轉(zhuǎn)速反饋控制此控制方法同樣簡潔明了，可以使風(fēng)力機(jī)工作在最佳功率特性曲

51、線附近，轉(zhuǎn)換效率較高；不需要風(fēng)力機(jī)的功率特性曲線，也不需要測風(fēng)裝置，使系統(tǒng)更加可靠。但需要知道風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。(3)功率擾動(dòng)控制方法16。此控制方法的主導(dǎo)思想是離散迭代控制。當(dāng)風(fēng)速保持不變時(shí)，風(fēng)力機(jī)的功率特性曲線是凸函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，給控制量一個(gè)微小的擾動(dòng)，這一擾動(dòng)將引起輸出功率的變化。若輸出功率的變化量大于零，說明輸出功率在增加，于是在系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)的時(shí)候，加上與前次同符號的擾動(dòng)量，以繼續(xù)增加SRG的輸出功率，直到輸出功率變化量開始小于零，此時(shí)改變下一次擾動(dòng)量的符號。如此反復(fù)，每一次調(diào)整風(fēng)力機(jī)的工作點(diǎn)都在變化，若風(fēng)速一直保持不變，則風(fēng)力機(jī)的工作點(diǎn)將沿著功率特性曲線移動(dòng)到最大值附近，并保持一

52、定的波動(dòng)。此控制方法不需要風(fēng)力機(jī)的功率特性曲線，也不需要測風(fēng)裝置；系統(tǒng)具有自動(dòng)跟隨和自適應(yīng)能力。但擾動(dòng)量和離散時(shí)間在設(shè)計(jì)上存在較大困難。2.7 本章小結(jié)本章主要介紹了典型的開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成，并對風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型及最大風(fēng)能捕獲的原理做了詳細(xì)的描述。首先介紹了SRG的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，論述和推導(dǎo)了SRG的基本方程，建立了SRG的數(shù)學(xué)模型。接著分析了不對稱橋式功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作方式，介紹了SRG的三種基本控制方法。最后闡述了目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲的方法。23第三章 仿真結(jié)果及分析 第3章 仿真結(jié)果及分析本章主要對開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的自勵(lì)運(yùn)行模式進(jìn)行了仿真，仿真中采用了電流

53、斬波控制方式，靠調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)，獲得了一系列仿真波形，并對這些波形進(jìn)行了一定程度的分析。SRG具體參數(shù)如下表3-1所示：表3-1 SRG參數(shù)表定子齒極數(shù)12穩(wěn)定轉(zhuǎn)速800/1500n/min最大電感0.12H電阻0.524轉(zhuǎn)子齒極數(shù)8給定電壓310V最小電感0.03H參考電流2A額定功率300/w額定電流3A其中開通角（theta_on）為21.5°，關(guān)斷角一（theta_off1）為25°,關(guān)斷角二（theta_off2）為36°。3.1 電流斬波控制的SRG仿真結(jié)果和分析本仿真采用的是MATLAB中的M.file功能，在SRG建模的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行

54、編程處理，然后進(jìn)行仿真分析。其中電流斬波程序如下圖3-1所示：圖3-1 電流斬波部分程序程序中：v_m每一相電壓的值；i_ref參考電流（本文設(shè)定為2A）；V_dc母線電壓（本文設(shè)定為310V）；斬波限±0.01；本次仿真SRG的額定轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分，仿真時(shí)間是0.03s，電感的最大值是0.14H，最小值是0.03H，開通角（theta_on）為21.5°，關(guān)斷腳（theta_off）為25°，關(guān)斷腳（theta_off1）為36°。其仿真波形如下圖3-2所示：圖3-2 CCC斬波控制的SRG仿真波形如上圖3-2中電感波形，紅色曲線表示C相電感，藍(lán)色曲

55、線表示A相電感，綠色曲線表示B相電感。其余表示方法是統(tǒng)一的。由圖3-2可以看出，電流時(shí)在電機(jī)的發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行斬波的，不對稱橋是電路工作在0和-1狀態(tài)。電壓為正的部分是電機(jī)的勵(lì)磁階段，因此，此系統(tǒng)采用的是電機(jī)的自勵(lì)方式進(jìn)行勵(lì)磁。電壓為負(fù)的部分是電機(jī)發(fā)電狀態(tài)下進(jìn)行電流斬波控制的電壓波形。利用CCC斬波控制方式進(jìn)行控制可以防止發(fā)電機(jī)運(yùn)行在低速狀態(tài)時(shí)，因電流較大而導(dǎo)致電機(jī)的損壞，也利于電機(jī)的低速起動(dòng)。3.2 SRG平均功率仿真結(jié)果和分析平均功率計(jì)算公式在MATLAB/M.file中程序模式如下圖3-3所示圖3-3 平均功率計(jì)算部分程序圖3-3中：V_Z母線電壓； I_Z母線電流； p_shun瞬時(shí)功率； p_