畢業(yè)設計不對稱橋式電路驅(qū)動的開關磁阻風力發(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，風力發(fā)電技術來越受到人們的重視，也同時成為各國學者的研究熱點。本文對開關磁阻電機在風力發(fā)電中的應用展開了研究文中首先對當前風力發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀和前景進行了總結。闡述開關磁阻電機適用于風力發(fā)電的優(yōu)勢，明確了研究開關磁阻電機風力發(fā)電系統(tǒng)的意義。其次文章先對開關磁阻發(fā)電機主電路結構和其工作原理進行了介紹，然后對電機進行了電感與轉子位置角關系的分析、發(fā)電機能量轉換的分析、繞組電流的分析，并在這些分析的基礎上介紹了開關磁阻發(fā)電機的三種控制方法：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磁阻發(fā)電機數(shù)學模型，在

2、MATALAB/M.file環(huán)境中編制發(fā)電系統(tǒng)的程序模型，對開關磁阻電機發(fā)電系統(tǒng)進行了仿真。文章的最后是對整個系統(tǒng)仿真結果的說明和分析。所獲得的仿真數(shù)據(jù)一方面驗證了此系統(tǒng)的有效性，另一方面通過對仿真數(shù)據(jù)的分析研究，初步掌握開關磁阻發(fā)電機理想的運行情況，為今后進一步研究打下了基礎關鍵詞：開關磁阻發(fā)電機；風力發(fā)電；MATLABI 燕山大學本科生畢業(yè)設計（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 風力發(fā)電的優(yōu)勢11.1.2 國外風力發(fā)展情況21

8、.1.3 國內(nèi)風力發(fā)展情況21.2 風力發(fā)電技術研究現(xiàn)狀31.3 本文的主要研究內(nèi)容41.3.1 開關磁阻發(fā)電機適于風力發(fā)電的幾大特點41.3.2 研究內(nèi)容簡述5第2章 典型的開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)綜述72.1 開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)的組成72.2 風力機的相關介紹72.2.1 風力機的結構72.2.2 風力機的簡單數(shù)學模型92.2.3 風力機的最大風能捕獲原理92.3 SRG的工作機理112.3.1 SRG的基本結構與工作原理112.3.2 SRG系統(tǒng)的結構122.3.3 SRG的數(shù)學模型132.4 不對稱橋式驅(qū)動電路的介紹162.4.1 不對稱橋式驅(qū)動電路的拓撲結構162.4.2 不對稱橋式驅(qū)

9、動電路的工作狀態(tài)172.5 開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)基本的控制方式192.6 SRG風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能捕獲的方法212.7 本章小結23第3章 仿真結果及分析243.1 電流斬波控制的SRG仿真結果和分析243.2 SRG平均功率仿真結果和分析263.3 SRG PI調(diào)節(jié)閉環(huán)的仿真結果和分析273.4 SRG風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真結果和分析293.5 本章小結30結論31參考文獻33III第一章 緒論 第1章 緒論1.1 課題背景20世紀80年代以來，基于一次性能源的日益枯竭和環(huán)境保護的考慮，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。風是一種永不枯竭的能源，地球上的風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。風能的利用不但簡單，而且機動靈活，因此有著廣闊的發(fā)展前景。有人估計過，地球上可用來發(fā)電的風力資源約有200億KW，幾乎是現(xiàn)在全世界水力發(fā)電裝機容量的10倍1，因此，國內(nèi)外都很重視利用風力來發(fā)電。1.1.1 風力發(fā)電的優(yōu)勢隨著科學技術的飛速發(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)的能源危機形勢愈發(fā)明顯，開發(fā)可再生能源成為實現(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提出保護氣候系統(tǒng)，到1992年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會通過聯(lián)合國氣候變化框架公約，然后是京都議定書的出臺，直到2009年的哥本哈根會議，國際社會為應對

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。風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，風力發(fā)電的優(yōu)勢為2：(1)地球上蘊藏的風力資源十分豐富，相當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)可以利用風力發(fā)電，若合理地利用風能，建設獨立的小功率發(fā)電系統(tǒng)，將有相當大的優(yōu)勢。(2)風能在利用中既不會給空氣帶來污染，也不破壞生態(tài)環(huán)境，是一種清潔安全的可再生能源。(3)風力發(fā)電的成本日益減小，從綜合經(jīng)濟效益看，具有

12、較強的競爭力。(4)風力發(fā)電在新能源發(fā)電中技術最為成熟，是一種安全、可靠的能源。1.1.2 國外風力發(fā)展情況歐洲風電發(fā)展迅猛。20世紀90年代起，歐洲制定了風電發(fā)展計劃，確立了風電發(fā)展目標：2010年風電裝機容量達到40GW，并要求其成員國基于此發(fā)展目標制定本國的發(fā)展目標與計劃。在2007年年底，由于風力發(fā)電事業(yè)勢頭迅猛，原來制定的計劃已經(jīng)趕不上風電發(fā)展的步伐，所以歐洲又進一步修訂了風電發(fā)展計劃和目標：2010年風電裝機容量達到80GW，到2020年歐洲風電裝機達到180GW。加快實現(xiàn)歐盟綠色能源的目標。根據(jù)世界兩大風能專業(yè)機構“歐洲風能協(xié)會(EWEA)”和“全球風能委員會(GWEC)”最新發(fā)

13、布的數(shù)據(jù)，2009年全球風電市場發(fā)展迅速，風力發(fā)電機總裝機容量達到37500 MW，相當于23臺第三代核反應堆核電機組(EPR)發(fā)電量，風電增長率高達31%。世界風能市場裝機建設資金達450億歐元，提供50萬個就業(yè)崗位。風能每年可以減少2.04億噸的二氧化碳排放量。因此在不太遙遠的未來，風電將成為歐洲以至于世界的主要替代能源。1.1.3 國內(nèi)風力發(fā)展情況進入21世紀以來，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)濟的發(fā)展，前幾年我國能源消費增長情況見圖1-1。隨著經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，能源需求還會繼續(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，實現(xiàn)現(xiàn)代化建設的戰(zhàn)略目標。按照國家規(guī)劃，未來15年，全國風力發(fā)電裝機容量將達到2000萬至3000萬KW。以每千瓦裝機容量設備投資7000元計算，近幾年內(nèi)風電設備市場投資將高達2000億元左右。而且據(jù)專家稱，到2020年，風電平均每年至少增加1000萬KW，累計需要投資1.5萬億。到2020年，我國風電開發(fā)裝機總規(guī)模有望超過1億KW。據(jù)國家能源局的數(shù)據(jù)，我國風電裝機容量截至2008年底實現(xiàn)連續(xù)三年翻番增長，達到1217萬KW。2008年我國新增風電機組5130多臺，裝機容量624.6萬KW，新增裝機增長率為89%。居世界第四位。圖1-1 近

15、年來我國能源消費增長情況圖在2009年累計的風電裝機容量已經(jīng)超過西班牙，上升到全球第三位。截至2009年底，我國風電并網(wǎng)總量累計將達到1613萬KW，僅內(nèi)蒙古地區(qū)的風電設備容量就超過了500萬kW。預計2010年底有望突破3000萬kW。如今國內(nèi)風電市場正在從高速增長轉入平穩(wěn)增長階段，未來三年復合增長率將達到17.4%，2010年前后整機供求關系將趨于平衡，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)全球風電產(chǎn)業(yè)仍將是高速增長的朝陽行業(yè)，將給相關企業(yè)帶來廣闊發(fā)展空間。1.2 風力發(fā)電技術研究現(xiàn)狀風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，最終要依賴于風力發(fā)電技術的進步。風力發(fā)電的過程就是風能經(jīng)由機械

16、能轉換為電能的過程，其中風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)負責將機械能轉換為電能。這一部分是整個系統(tǒng)的核心，直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量，也影響到風能吸收裝置的運行方式、效率和結構。因此，研制適用于風電轉換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風力發(fā)電技術的研究重點。風力發(fā)電系統(tǒng)的兩個主要部件是風力機和發(fā)電機，而風力機的變槳距功率調(diào)節(jié)技術和發(fā)電機的變速恒頻發(fā)電技術是風力發(fā)電技術發(fā)展的必然趨勢，也是風力發(fā)電中的關鍵核心技術。本文著重介紹發(fā)電機的變速恒頻發(fā)電技術。變速恒頻發(fā)電是20世紀末發(fā)展起來的一種新型發(fā)電方式，它將電力電子技術、矢量變換控制技術和微機信息處理技術引入發(fā)電機控制之

17、中，改變了以往恒速才能恒頻的傳統(tǒng)發(fā)電概念。在風力發(fā)電應用中，變速恒頻發(fā)電技術更表現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)越性。風力是一種具有隨機性、爆發(fā)性、不穩(wěn)定性特征的能源，用于風能捕獲的風力機在不同風速下有一個最佳運行轉速，此時對風能的捕獲效率最高，而且風施加給風力機的應力最小，所以應控制風力發(fā)電機組運行在這個優(yōu)化的轉速下。傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式由于只能固定運行在某一轉速上，當風速改變時風力機就會偏離最佳運行轉速，導致運行效率下降，不但浪費風力資源，而且增大風力機的磨損。采用變速恒頻發(fā)電方式，就可按照捕獲最大風能的要求，在風速變化的情況下實時地調(diào)節(jié)風力機轉速，使之始終運行在最佳轉速上，從而提高了機組發(fā)電效率，優(yōu)化

18、了風力機的運行條件。1.3 本文的主要研究內(nèi)容1.3.1 開關磁阻發(fā)電機適于風力發(fā)電的幾大特點普通的發(fā)電機如：感應發(fā)電機、同步發(fā)電機要輸出固定電壓，其轉速也須固定，然而風速是時刻變化的，所以風輪機的轉速必須固定不變(即恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng))，導致風能利用效率低下。顯然，如果使用變速發(fā)電機就能提高風能利用效率(即變速恒頻發(fā)電系統(tǒng))，而開關磁阻發(fā)電機正滿足了這樣的要求。設計風力發(fā)電系統(tǒng)一般需要著重考慮以下幾個問題：(1)高質(zhì)量的將不斷變化的風能轉換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。(2)高效率的實現(xiàn)上述兩種能量轉換，以降低每度電的成本。(3)穩(wěn)定可靠的同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機及其他發(fā)電裝置或儲能系

19、統(tǒng)聯(lián)臺運行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。據(jù)此衡量開關磁阻發(fā)電機，可以發(fā)現(xiàn)開關磁阻發(fā)電機用于風力發(fā)電的如下優(yōu)勢：(1)開關磁阻發(fā)電機可以方便的發(fā)出電壓恒定的直流電，尤其對于他勵方式，輸出電壓直接由勵磁電壓決定，而與轉速無關。在自勵方式下，也可以通過自身的控制器實現(xiàn)電壓恒定。(2)開關磁阻發(fā)電機結構簡單，轉子上無刷、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；同時轉子的轉動慣量小，啟動轉距低，動態(tài)相應好。并且該系統(tǒng)是自同步運行的，在低頻時，不會出現(xiàn)那種變頻供電的感應電機在低頻時出現(xiàn)的不穩(wěn)定和振蕩問題。因此即使在風速較低的情況下，通過合理的設計，開關磁阻發(fā)電機也可以在風力直接驅(qū)動下實現(xiàn)較高的

20、發(fā)電效率，從而省去了齒輪箱，系統(tǒng)結構更加輕便、可靠，這也是風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3。(3)開關磁阻發(fā)電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，能夠在寬廣的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，因而可以適應不同風速的要求，更高效地利用風能。(4)開關磁阻發(fā)電機可控參數(shù)多，如開通角、關斷角、直流斬波限、勵磁電壓等，可方便的實現(xiàn)比較復雜的控制策略，靈活的控制輸出直流電壓和電流。(5)若在直流輸出的基礎上采用逆變技術，則可以獲得所需幅值和頻率的交流電，進而實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。亦可以單獨或與其他發(fā)電裝置或儲能裝置聯(lián)合發(fā)電。(6)開關磁阻發(fā)電機具有自勵能力，在自勵模式下，只需小容量的直流起勵電源，就可以自動建立電壓。若與蓄電池構成互補系統(tǒng)，更可以

21、體現(xiàn)分時勵磁和發(fā)電的優(yōu)勢。在風力充足時，一方面，開關磁阻發(fā)電機從蓄電池獲得勵磁，另一方面，又給負載供電，同時給蓄電池充電(由于SRG發(fā)出的電流脈動，有利于蓄電池的充電)將剩余的電能轉換成化學能儲存起來。當風力不足時，蓄電池的儲能將釋放出來，供負載使用。此外，開關磁阻發(fā)電機結構堅固、耐高溫性能好，十分適合風力發(fā)電的野外作業(yè)環(huán)境。綜上所述，開關磁阻發(fā)電機在風力發(fā)電領域具有很大的發(fā)展?jié)摿脱芯績r值。1.3.2 研究內(nèi)容簡述本文以開關磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)為研究對象，結合國內(nèi)外相關文獻和技術資料，對開關磁阻發(fā)電機系統(tǒng)的結構及運行機理，系統(tǒng)的建模與仿真，風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略等方面進行了分析與探討，并編

22、制了一套開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)的程序，對此系統(tǒng)進行了具體的仿真和仿真結果分析，并取得了相應的成果。本文共分三章，分別對上述內(nèi)容和仿真結果進行論述。第一章 緒論 本章結合文獻綜述，比較全面地介紹了當前國內(nèi)外風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出風力發(fā)電是解決我國能源和電力短缺最現(xiàn)實選擇?？偨Y了現(xiàn)有的風力發(fā)電技術，包括開關磁阻電機風力發(fā)電系統(tǒng)。提出開關磁阻電機適于風力發(fā)電的幾大優(yōu)勢，進一步明確開發(fā)開關磁阻電機風力發(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)結構及運行機理 本章對開關磁阻發(fā)電機系統(tǒng)SRG的結構及工作原理進行闡述。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)學模型：系統(tǒng)、深入地研究了SRG發(fā)電運行的控制方式：角度位置控制(APC)、PWM電壓控制(PWM)、電流斬波控制(CCC)：對開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)的結構、最大風能追蹤控制原理及控制方案進行探討。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)學模型，在此基礎上用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)的動態(tài)穩(wěn)定性、開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能追蹤控制進行仿真分析。5第二章 典型的開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)綜述 第2章 典型的開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)綜述2.1 開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)的組成 典型的開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)是以SRG為機電能量轉

24、換核心的發(fā)電系統(tǒng)，主要包括風力機，變速箱，SRG，不對稱橋式功率變換器，位置傳感器，控制器，蓄電池或負載等部分，如圖2-1所示。圖2-1 典型的開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)的組成風力機捕獲風能，將風能轉化成機械能，提供系統(tǒng)機械能輸入；變速箱將風力機捕獲的能量傳遞給SRG并使其得到相應的轉速；蓄電池給SRG提供初始勵磁；位置傳感器檢測SRG正確的轉子位置信息；控制器根據(jù)SRG的轉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器件的適時導通和關斷；蓄電池是系統(tǒng)的儲能裝置，儲存發(fā)電機發(fā)出的電能和為發(fā)電機提供初始勵磁電壓。 2.2 風力機的相關介紹2.2.1 風力機的結構風力機是將風能轉化成機械能的能

25、量轉化裝置，按照風能接收裝置的結構形式和空間布置一般可分為兩大類：水平軸式風力機和垂直軸式風力機。水平軸式風力機是目前世界各國風力發(fā)電機最常用的一種形式，其主要由以下幾部分組成：風輪、聯(lián)軸器、變速箱、對風裝置、調(diào)速機構、做功裝置、儲能裝置、塔架等4。(1)風輪 風輪一般由葉片、葉柄、輪轂及風輪軸等組成。風輪是風力機最重要的部件，是風力機區(qū)別于其它動力機的主要標志。其作用是捕捉和吸收風能，并將風能轉化成機械能。現(xiàn)代的風力發(fā)電機的葉片數(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、風輪的轉速低而發(fā)電機的轉速高，為了匹配發(fā)電機，要在低速的風輪軸和高速的發(fā)電機軸之間連接一個變速箱。簡言之，變速箱就是一個提高轉速的變速器。(4)對風裝置 自然界風的方向和速度經(jīng)常變化，設置對風裝置就是為了使風力機能夠有效地捕捉和吸收風能，以跟蹤風向的變化，保證風輪始終處于迎風狀態(tài)。常用風力機的對風裝置有尾舵、舵輪、電動機構和自動對風。(5)調(diào)速機構 風輪的轉速隨風速的增大而變快，當轉速超過設計允許的最大值后，有可能影響機組的使用壽命，甚至造成設備的毀壞。調(diào)速機構能夠使風輪的轉速在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)運行，防止風速過大引起飛車，并且在風速降至停機風速時，能夠使風輪順槳停機。風力機的調(diào)速機構大體上有三

27、種基本方式：減少風輪的迎風面積；改變翼型攻角值和利用空氣阻尼力限制風輪轉速。(6)做功裝置 將風輪轉化成的機械能提供給做功裝置，使其按既定的意圖做功，最終將機械能轉化成電能。(7)儲能裝置 由于風時大時小、時有時無，因而風力機輸出的功率是不穩(wěn)定的。儲能裝置就是將有限的能量儲存起來，在合適的時候使用。(8)塔架 塔架是支撐風力發(fā)電機的支架，把風輪等部件舉到設計高度處運行。塔架承受兩個載荷：一是風力機的重力；二是風吹向風輪等部件的壓力。2.2.2 風力機的簡單數(shù)學模型假定風輪是理想的，根據(jù)貝茲(Betz)理論5，風力機實際得到的功率與風速的三次方有關，則單位時間內(nèi)風力機捕獲的風能P為： (2-1)

28、式中：空氣密度； R風輪葉片半徑； A風輪掃掠面積，； Cp風能利用系數(shù)，反映了風力機利用風能的效率，是葉尖速比和葉片槳距角的函數(shù)；v風速。葉尖速比是風力機旋轉機械角速度與風速的比值，定義為： (2-2)式中：T風力機旋轉機械角速度。將式(2-2)代入式(2-1)，可以得到單位時間內(nèi)風力機捕獲的風能與其旋轉機械角速度之間的關系式，如式(2-3)所示。 (2-3)因此，利用此公式可以在理論上實現(xiàn)風能和機械能之間高效率的轉換。2.2.3 風力機的最大風能捕獲原理假定風力機的葉片槳距角固定不變，則風能利用系數(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，當風速保持不變時，根據(jù)式(2-2)

29、，葉尖速比越大，風力機的旋轉機械角速度越大。對于一臺特定的風力機，在葉片槳距角保持不變時，存在一個最優(yōu)的葉尖速比，使得Cp最大，即Cpmax，此時單位時間內(nèi)風力機捕獲的風能P最大，即Pmax。由此可見，在單位時間內(nèi)，為了捕獲到最大風能Pmax，必須在風速變化時及時調(diào)整風力機的旋轉機械角速度。換言之，對于一個特定的風速v，風力機只有運行在一個特定的旋轉機械角速度T下才能夠得到最高的風能轉換效率，即Topt。當風速超過額定風速時，理論上風力機輸出的功率超過風力機的額定輸出功率Pe，此時要以風力機的額定輸出功率Pe為準。根據(jù)以上描述，當風速保持不變時，由式(2-3)可以得到單位時間內(nèi)風力機捕獲的最大

30、風能Pmax為 (2-4)式中：Cpmax最大風能利用系數(shù)；最優(yōu)葉尖速比；Topt風力機最佳旋轉機械角速度。 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，典型的Cp-曲線如圖2-2所示。不同風速v和不同風力機旋轉機械角速度T下的風力機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，即定槳距風力機的特點可以總結如下14：(1)在葉片槳距角保持不變時，有一個最佳的葉尖速比，對應著最大的風能利用系數(shù)。(2)不超過額定風速時，對應某一個固定的旋轉機械角速度，風速越大，風力機輸出的功率越大。(3)在風速保持不變時，風力

31、機在某一個特定的旋轉機械角速度下才能輸出最大功率，旋轉角機械速度較小或較大，都會降低輸出功率。(4)最佳旋轉機械角速度是對應于某一個特定風速來說的，風速變化，最佳旋轉機械角速度也會隨之改變。2.3 SRG的工作機理2.3.1 SRG的基本結構與工作原理SRG采用雙凸極結構，其定子和轉子均是由普通的硅鋼片疊壓而成。轉子上既無繞組也無永磁體，定子上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組可以串聯(lián)或并聯(lián)在一起，稱為“一相”。SRG可以設計成多種不同相數(shù)結構，且定子和轉子的極數(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極電機結構圖如圖2

32、-4所示。圖2-4 三相12/8極SRG結構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。原動機帶動SRG旋轉，在適當?shù)奈恢媒o某相通電，轉子凸極與定子磁極不重合，便會有磁阻力作用在轉子上并產(chǎn)生與驅(qū)動轉矩相反的阻力矩使其趨向于磁阻最小的位置，即轉子凸極中心與定子磁極軸線對齊的位置，同時轉子上的機械能轉化成磁能儲存在磁場中；在適當?shù)奈恢媒o此相斷電，儲存在磁場中的磁能便釋放出來，并轉化成電能回饋至電源，從而完成了機械能和電能之間以磁能為媒介的機電能量轉化過程。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各相勵磁，作用在轉子上的機械能將源源不斷地轉化成電能，實現(xiàn)發(fā)電運行1

33、5。下面對SRG的運行過程做一個簡單敘述，圖2-4所示出三相(128極)SR發(fā)電機結構原理圖，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。設發(fā)電機在外力的驅(qū)動下，以逆時針方向旋轉。當定子C相繞組與轉子磁極2軸線重合，此時給定子A相繞組通電，即開關S1、S2閉合，該相通過直流電源U進行勵磁。磁力線由定子軛經(jīng)定子極A、氣隙、轉子極1、鐵心、轉子極。再回經(jīng)定子極，形成閉合回路。由于定子A相繞組軸線與轉子極1-不重合，根據(jù)“磁路最短原則”，轉子極l-將有向定子極A-運動的趨勢，并受到該方向的力矩作用，即順時針方向，與驅(qū)動力矩相反，同時轉子上的機械能將轉化成磁能貯藏在磁場中。當開關S1

34、、S2斷開時，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，此時儲存在磁場中的磁能將釋放出來，并轉化成電能，回饋至電源。從而完成了機械能和電能之間以磁場為媒介的機電能量轉化過程。當電機旋轉至B-B軸線與轉子極2-2軸線重合時，將勵磁切換至C-相，則C-相與轉子極2-之間相互作用將和A-與轉子極1-之間相同。因此，連續(xù)不斷地按照A-C-B-A的順序給電機各相勵磁，作用在轉子上的機械能將源源不斷地轉化成電能，實現(xiàn)發(fā)電運行。反之，若作用在SRG轉子上的外力方向改變時，只需改變各相的勵磁順序，即C-B-A-C，即可維持其發(fā)電狀態(tài)。此外，在SRG中，轉子的受力方向與繞

35、組通電的方向無關，僅取決于通電順序，這也是開關磁阻電機不同于一般交流電機之處。 2.3.2 SRG系統(tǒng)的結構開關磁阻發(fā)電機系統(tǒng)主要由SR發(fā)電機、驅(qū)動電路、控制電路及檢測電路四個主要部分構成，其關系如圖2-5所示。SR發(fā)電機是整個SRG系統(tǒng)機電能量轉換的核心部件，其工作原理己在2.3.1節(jié)中闡述。驅(qū)動電路是系統(tǒng)的通道，承擔著勵磁功率輸入與發(fā)電功率輸出的雙重任務。SR發(fā)電機的驅(qū)動主電路的結構型式與供電電壓、發(fā)電機的相數(shù)及主開關器件的種類等有關?？刂齐娐肥钦麄€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)動電路中主開關器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對SR發(fā)電機運行狀態(tài)的控制。圖2-5

36、 開關磁阻發(fā)電機系統(tǒng)結構框圖位置傳感器負責捕獲位置信號，是開關磁阻發(fā)電機自同步運行和系統(tǒng)控制的重要基礎，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、敏式及接近開關等含有機械結構的檢測方案；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)學模型2.3.3.1 SRG數(shù)學模型建立的方法 到目前為止，主要采用四種方法建立SRG的數(shù)學模型：理想線性模型、準線性模型、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行詳細介紹：(1)理想線性模型10 電機磁路飽和的影響，相電感與相電流的大小無關，且忽略磁通的邊緣效應以及所有的損耗，此條件下的電機模型就是理想線性模型，相電感僅僅是轉子位置角的分段線性函數(shù)。這種方法大大簡化了電機內(nèi)部的電磁關系，可以了解電機工作的基本特性和各參數(shù)間的相互關系，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，相電感隨轉子位置角的變化關系如圖2-6示。圖2-6 相電感與轉子位置角的關系圖2-6中，SRG在原動機帶動下沿順時針方向旋轉，1為轉子凸極的前沿與定子磁極的后沿相遇的位置。轉子轉過1后，相電感開始線性上

38、升至2，2為轉子凸極前沿與定子磁極前沿重疊處，這時轉子凸極與定子磁極完全重疊，相電感變?yōu)樽畲笾礚max?；陔姍C綜合性能的考慮，其轉子極弧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為轉子凸極后沿與定子磁極前沿重合處。在45區(qū)域內(nèi)，轉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，如此周而復始，往復循環(huán)。由圖

39、2-6所示的理想線性模型中，在相電感的一個周期15內(nèi)，可以將相電感分成四段，則相電感與轉子位置角的關系式可以表示為 (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運行理論與任何電磁式機電裝置運行理論在本質(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)學模型。(1)電壓方程 SRG的相繞組有兩種工作狀態(tài)：勵磁狀態(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) 勵磁狀態(tài)圖2-7 一相繞組的等效電路圖2-7(a)中，開關管Tk1、Tk2導通，電機繞組處于勵磁狀態(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；轉子位置角；電機旋轉機械角速度，。圖2-7(b)中，開關管Tk1、Tk2關斷，相電流通過二極管Dk1、Dk2續(xù)流，電機繞組處于發(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，等式右端第一項為第k相回路中的電阻壓降；第二項是由相電流變化引起繞組中的磁鏈變化而感應的電動勢，稱為變壓器電動勢；第三項是由轉子位置角改變引起繞組中的磁鏈變化而感應的電動勢，稱為運動電動勢。 (2)轉矩公式 理由理想電感模型，SRG的電磁轉矩可以通過其磁場儲能或磁共能對轉子位置角的偏導數(shù)求得，即： (2-8)由

41、式(2-5)式(2-8)可以建立SRG的數(shù)學模型。2.4 不對稱橋式驅(qū)動電路的介紹2.4.1 不對稱橋式驅(qū)動電路的拓撲結構圖2-8 自勵模式圖2-9 他勵模式SRG的不對稱橋式功率變換器有自勵模式和他勵模式之分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，自勵模式和他勵模式的拓撲結構分別如圖2-8、圖29所示。(1)自勵模式 如圖2-8所示，Us是起勵電源，給SRG提供初始勵磁。SRG發(fā)出的電能給電容C充電，當電容C達到所需的初始值后，斷開Us，此后SRG依賴電容C的存儲功能給繞組勵磁，進行自勵發(fā)電。以A相為例，當開關管Ta1、Ta2導通時，電路處于勵磁狀態(tài)，電容C對A相繞組進行

42、勵磁，同時給負載供電；當開關管Ta1、Ta2關斷時，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，另一方面給負載供電。自勵模式中，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)他勵模式 如圖2-9所示，Us為勵磁電源，始終給SRG提供勵磁；電容C起著儲能和穩(wěn)壓的雙重作用。以A相為例，當開關管Ta1、Ta2導通時，電路處于勵磁狀態(tài)，勵磁電源Us對A相繞組進行勵磁；當開關管Ta1、Ta2關斷時，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，并給負載供電。他勵模式中，勵磁回路與發(fā)

43、電回路彼此獨立。勵磁電壓與發(fā)電電壓無關，兩者可以獨立調(diào)節(jié)，控制比較方便。2.4.2 不對稱橋式驅(qū)動電路的工作狀態(tài)下面詳細分析一下不對稱橋式功率變換器自勵模式的工作狀態(tài)。隨著各相橋臂開關器件的導通和關斷，每相繞組有三種工作狀態(tài)6：勵磁狀態(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) 勵磁狀態(tài) (b) 續(xù)流狀態(tài) (c) 發(fā)電狀態(tài) 圖2-10 自勵式功率變換器的工作狀態(tài)圖2-10(a)中，A相上下兩個開關管Ta1、Ta2同時導通，此時加到相繞組上的電壓為正的直流電壓UC，相繞組處于勵磁狀態(tài)。SRG把從直流電源吸收的電能和從主軸輸入的機械能轉化

44、成磁能，儲存在電機磁路中，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相上面開關管Ta1關斷，下面開關管Ta2導通，此時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相上下兩個開關管Ta1、Ta2同時關斷，此時加到相繞組上的電壓為負的直流電壓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把從主軸輸入的機械能和儲存在電機磁路中的磁能轉化成電能輸出。其電壓方程為 (2-17)如式(2-17)，在發(fā)電狀態(tài)，若運動電動勢小于加

45、到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流下降；若運動電動勢等于加到繞組上的發(fā)電電壓，則相電流保持不變；若運動電動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)轉換效率的提高。2.5 開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)基本的控制方式SRG轉子上沒有繞組，其定子同時兼有勵磁繞組和電樞繞組的功能，因此SRG的勵磁和發(fā)電是分時性的。SRG的可控變量一般有勵磁電壓、開通角、關斷角和相電流這四個參數(shù)16。因此開關磁阻風力發(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和關斷角off，從而影響電機的勵磁過程，進而影響輸出功率的大小。在=on時，開關器件導通，在=off時，開關器件關斷。若on減小或off增大，勵磁時間增加，則勵磁電流增大，SRG的發(fā)電能力增大。但on提前過多或off推遲過多反而會使輸出功率降低，因此兩者都有一個最優(yōu)值23，此時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方式就是設置斬波閾值，限制電流上、下幅值。在一個控制周期內(nèi)，檢測相電流與給定電流的上下限幅值相

47、比較，當檢測相電流大于給定電流的上限幅值時，開關器件關斷，相電流減小；當檢測相電流小于給定電流的下限幅值時，開關器件開通，相電流增大。如此反復，最終使相電流在給定值附近上下波動。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和關斷角off固定在優(yōu)化值上，在onoff區(qū)間用PWM信號對開關器件的觸發(fā)信號實施調(diào)制，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比D來調(diào)節(jié)勵磁電壓的平均

48、值，從而調(diào)控勵磁電流的大小。D越大，勵磁電流越大，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突出的優(yōu)點就是可控性能好。勵磁電流和占空比具有很好的線性關系，且PWM信號的周期即為系統(tǒng)的調(diào)控周期，能夠獲得良好的動態(tài)性能。但需要較高的開關頻率，開關器件的頻繁通斷增加了開關損耗，所以系統(tǒng)效率略有降低。2.6 SRG風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能捕獲的方法風力機的功率特性有其自身的特點，為了捕獲到最大風能，必須使SRG與風力機能夠良好的配合，通過對發(fā)電系統(tǒng)的控制，使風力機工作在最佳功率特性曲線上。開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)最大風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、自適應控制等。本文主要討論三種控制方法：(1)風速跟蹤控制方法8,9。如圖2-14，此控制方法的思路是：根據(jù)測風裝置觀測到的風速v，按照風力機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結合SRG相繞組的開通角on、關斷角off以及當前電機的旋轉機械角速度決定了SRG的輸出電流i，也就決定了SRG的輸出功率Po。2-14 風速跟蹤控制此控制方法簡潔明了，可以使風力機工作在最佳功率特性曲線上，轉換效率較高。但需要知道風力機的功率特性曲線，增加了測風裝置，提高了成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。

50、(2)轉速反饋控制方法11,12。如圖2-15，此控制方法的思路是：當風帶動風力機旋轉至SRG發(fā)電運行的轉速范圍內(nèi)時，根據(jù)風力機的旋轉機械角速度T，以及其特征參數(shù)(Cpmax,opt)計算出給定功率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結合SRG相繞組的開通角on、關斷角off以及當前電機的旋轉機械角速度決定了SRG的輸出電流i，也就決定了SRG的輸出功率Po。輸出功率Po變化將導致電磁轉矩Te的變化，從而影響電機旋轉機械角速度。2-15 轉速反饋控制此控制方法同樣簡潔明了，可以使風力機工作在最佳功率特性曲

51、線附近，轉換效率較高；不需要風力機的功率特性曲線，也不需要測風裝置，使系統(tǒng)更加可靠。但需要知道風力機的轉速。(3)功率擾動控制方法16。此控制方法的主導思想是離散迭代控制。當風速保持不變時，風力機的功率特性曲線是凸函數(shù)。當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，給控制量一個微小的擾動，這一擾動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)的時候，加上與前次同符號的擾動量，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，此時改變下一次擾動量的符號。如此反復，每一次調(diào)整風力機的工作點都在變化，若風速一直保持不變，則風力機的工作點將沿著功率特性曲線移動到最大值附近，并保持一

52、定的波動。此控制方法不需要風力機的功率特性曲線，也不需要測風裝置；系統(tǒng)具有自動跟隨和自適應能力。但擾動量和離散時間在設計上存在較大困難。2.7 本章小結本章主要介紹了典型的開關磁阻風力發(fā)電系統(tǒng)的組成，并對風力機的結構、數(shù)學模型及最大風能捕獲的原理做了詳細的描述。首先介紹了SRG的基本結構與工作原理，論述和推導了SRG的基本方程，建立了SRG的數(shù)學模型。接著分析了不對稱橋式功率變換器的拓撲結構及工作方式，介紹了SRG的三種基本控制方法。最后闡述了目前風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能捕獲的方法。23第三章 仿真結果及分析 第3章 仿真結果及分析本章主要對開關磁阻發(fā)電機的自勵運行模式進行了仿真，仿真中采用了電流

53、斬波控制方式，靠調(diào)節(jié)勵磁電流來實現(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)定轉速800/1500n/min最大電感0.12H電阻0.524轉子齒極數(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°，關斷角一（theta_off1）為25°,關斷角二（theta_off2）為36°。3.1 電流斬波控制的SRG仿真結果和分析本仿真采用的是MATLAB中的M.file功能，在SRG建模的基礎上，對其進行

54、編程處理，然后進行仿真分析。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（本文設定為2A）；V_dc母線電壓（本文設定為310V）；斬波限±0.01；本次仿真SRG的額定轉速為800轉/分，仿真時間是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°，關斷腳（theta_off）為25°，關斷腳（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，電流時在電機的發(fā)電狀態(tài)進行斬波的，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的勵磁階段，因此，此系統(tǒng)采用的是電機的自勵方式進行勵磁。電壓為負的部分是電機發(fā)電狀態(tài)下進行電流斬波控制的電壓波形。利用CCC斬波控制方式進行控制可以防止發(fā)電機運行在低速狀態(tài)時，因電流較大而導致電機的損壞，也利于電機的低速起動。3.2 SRG平均功率仿真結果和分析平均功率計算公式在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瞬時功率； p_