开关磁阻风力发电系统输出电压优化控制

曾武，易灵芝，禹云辉，戴彪，戴建利

（湘潭大学信息工程学院，湘潭 411105）

开关磁阻风力发电系统输出电压优化控制

曾武，易灵芝，禹云辉，戴彪，戴建利

（湘潭大学信息工程学院，湘潭 411105）

针对因风速突变开关磁阻发电系统对输出电压难以快速动态稳定控制的问题，提出一种PWM斩波控制与角度位置控制相结合的复合控制方法，在中低风速时采用PWM斩波模式控制，当风速突变时，切换至角度位置模式控制，通过控制策略实现这两种模式运行的平滑切换，优化了对输出电压的控制，有效抑制了因风速突变对输出电压的影响，该方法动态响应快，控制精度高，鲁棒性强。仿真实验和研制的模拟装置实验验证了复合控制方法的可行性和有效性。

开关磁阻风力发电系统；PWM斩波控制；角度位置控制；复合控制

近些年，能源危机日益加剧，风能作为清洁可再生新能源已经受到各国高度重视。开关磁阻发电机SRG（switched reluctance generator）具有结构简单，转子无刷、无绕组，耐高温，无永久磁体、没有去磁效应，容错能力优良，低速性能好，转动惯量小，变速范围宽等优势，在风力发电领域较其他发电系统有着独特的优势，在陆海、家庭风力发电和在汽车起动/发电等系统中也具有广泛的应用前景[1]。

开关磁阻发电系统是一种新型中低速直驱发电系统，各高校和研究院对其展开了大量理论研究，很多文献局限于对单一的控制模式的研究。脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）斩波控制模式通过对相电流PWM斩波控制，在中低风速时对输出电压有良好的脉动抑制效果，角度位置控制模式是通过对开通角与关断角的调节来控制对相电流的控制，相电流对这两个角度相当敏感，电机转速越高，电压输出品质越好，适合高风速场合[2]。可见，由于风速的不确定性与突变性，单一控制模式不能满足中低速直驱风力发电系统要求，本文采用复合控制，综合PWM斩波控制与角度位置控制的优点，通过两种控制模式的平滑切换，优化输出电能质量。

1 SRG发电原理及数学模型

SRG的定子、转子凸极均由普通硅钢片叠压组成[3]。现以A相为例说明其发电原理。当外部电源us对定子A-A′供电，开关S1、S2闭合，二极管VD1、VD2关断，磁力线先后通过定子极A→气隙→转子极1′→铁心→转子极3′→定子极A′，形成闭合回路，如图1中虚线所示，此时直流电源us对A相绕组充电，绕组吸收电能；当开关S1、S2断开，绕组电流经过续流二极管VD1、VD2形成闭合回路，可以继续流通，此时能量从定子绕组回馈至直流电源。在SRG的励磁阶段与发电阶段，电机转子极与定子极轴线的相对位置不断交错与完全重合，以磁场为媒介形成磁链进行能量转换。通过依次控制每相开关器件的通/断时刻，将储存的磁场能和电磁转矩产生的机械能转换为电能，回馈给电源、储能电容或负载，从而实现发电。一个周期内的机械能、电能之间的转换过程可以用图2所示的磁链-电流-位置角（ψ-i-θ）坐标平面内的运动轨迹来描述。

图1 开关磁阻发电机结构Fig.1Structure of switched reluctance generator

图2 开关磁阻发电机ψ-i-θ轨迹Fig.2Switched reluctance generator ψ-i-θ path

忽略相间互感及损耗，对于SRG任意的相电流i和转子极轴线与定子轴线的相对位置角θ，绕组电感L为电流与转子相对位置的连续非线性周期函数，其周期T=2π/Nr，绕组电感可展开为傅里叶级数的非线性表达式[4～7]为

式中，Nr为转子极数，相电感可进一步简化为直流分量和基波分量之和，式（1）可简化为

式中，Lmax（i）、Lmin（i）分别为定子凸极轴线与转子凸极轴线重合、定子凸极轴线与转子凹槽轴线重合位置处的电感值。Lmax（i）和Lmin（i）值对非线性建模有着关键影响。

根据总机械能与绕组储能的计算方法，推导出SRG输出平均转矩为

式中：m为SRG的相数；τ为阻容放电时间系数，τ=RC。可见，输出平均转矩取决于电流i（θ）与绕组电感对于转子相对位置角θ的变化率。

当SRG工作在自励模式下发电运行时，实际绕组电感值存在，电路平衡方程式为

式中：iG为SRG发出的各相电流值之和；ic为充电电流；R为等效负载；计算输出电压uc为

式（1）～式（6）为在Matlab仿真平台上进行SRG不同工作模式的仿真研究，提供数学模型基础。

2 SRG工作模式

SRG控制方式灵活多样，但目标是优化输出电压，即发电机所发出的电压可以保持幅值平稳，且谐波含量理想的直流输出。SRG发电系统主要是通过调节励磁电流达到对开关磁阻发电机输出电压或功率的控制，主要有电流斩波控制CCC（current chopping control）、脉宽调制PWM控制，以及角度位置控制APC（angle position control）3种方式[7，8]。在实际发电现场，风速具有不确定与突变性，SRG转速处于极其不稳定状态，如果采用单一方式控制相电流，输出电压品质会受到影响。PWM斩波控制和APC控制相结合，可有效解决风速突变对输出电压的影响问题。

在中低风速范围内采用PWM斩波模式，通过一个比例-积分-微分PID（proportion integration differentiation）控制器，改变PWM占空比，调节SRG瞬时相电流，实现输出电压闭环控制，见图3。实际输出电压u0反馈送至输入端，与给定电压值u0*比较，差值信号εr驱动电压闭环控制器的工作，输出的电流值ic作为SRG相电流的参考给定信号，对SRG的相电压、相电流、以及功率变换器开通角、关断角等各项指标进行整定，输出通过滤波环节进行一次有效的高频谐波剔除，得到新的输出电压；再一次送入输入端与给定电压u0*进行比较，开始新一轮的反馈过程，周而复始，不断循环，直至达到最终平衡状态，发电机输出电压达到给定电压值u0*并稳定输出。

图3 PWM斩波电压闭环控制原理Fig.3Schematic of PWM chopper voltage closed-loop control

PWM斩波单一模式的控制精度有待提高，在电机转子速度较大或突变时，控制响应较慢，输出电压脉动较大。针对该问题，本文提出一种复合控制方法，增加APC环节，协助电压反馈，优化输出电压。PWM斩波和角度位置复合控制电压闭环原理如图4所示，具体控制策略如下：在平稳的中低转速范围情况下，SRG工作于PWM斩波模式，电压闭环控制器能够对输出电压进行有效的反馈控制，包括稳定电压、减小纹波，使输出电压尽可能地逼近于给定电压，此时输出电压反馈至输入端，得到的电压跟踪偏差εr接近于0，不足以驱动模糊APC单元工作，模糊APC单元处于保持状态。

图4 PWM斩波和角度位置复合控制电压闭环原理Fig.4Voltage closed-loop schematic diagram of the PWM chopper voltage and angle position composite control

当风速突变，SRG工作条件突变导致无法进入PWM斩波模式时，电压闭环控制器无法工作，输出电压出现偏离，实际输出电压与给定值进行比较后，电压偏差信号会足够大，驱动模糊APC环节开始工作，根据输入电压偏差εr与其变化率Δεr的大小及变化趋势，进行模糊整定后，输出导通角θd，与SRG当前转速所对应的最优关断角进行运算，得到开通角θon，同当前最优关断角θoff一起作用于功率变换器，直接对相电流的波形进行调节，实现对输出电压的控制；输出电压通过滤波环节滤除高频分量，反馈至输入端，与给定电压比较，新的电压偏差驱动模糊APC单元工作，再一次重复上述角度闭环控制过程，周而复始，不断循环，直到电压达到给定值并稳定为止。这种复合控制方法，可以实现相电流由PWM模式自行切换至APC模式，并能平滑过渡。

3 仿真实现

以前面所推导的SRG非线性数学模型为基础，在Matlab仿真平台上进行相应的仿真实验。在电机不同转速或转速突变时，以输出电压作为性能指标分析。包括对不同模式下的SRG控制闭环系统发电特性即在一定风速下的稳态运行特性和风速突变瞬时的动态响应特性分析。

3.1 基于单一PWM斩波模式的SRG电压闭环控制仿真实验

基于PWM斩波模式的SRG电压闭环控制仿真模型见图5。主要仿真参数设置如下：给定电压为150 V，给定输入风力驱动分别维持在1.8 N·m（转速为300 r/min）、2.2 N·m（转速为600 r/min）和在1.5 s时刻风力驱动由1.8 N·m突增至2.2 N·m（相应转速变化情况为300 r/min突变至600r/min），SRG输出电压uc仿真结果见图6。

图5 单一PWM斩波模式的SRG电压闭环控制仿真模型Fig.5SRG voltage closed-loop control simulation model based on single PWM chopping mode

图6 基于单一PWM斩波模式的SRG电压闭环控制仿真模型的仿真结果Fig.6Simulation results based on SRG voltage closedloop control simulation model

图7 基于PWM斩波和APC复合控制的SRG电压闭环控制仿真模型Fig.7SRG voltage dosed-loop control simulation model based on PWM chopping and APC control

3.2 基于PWM斩波和APC复合控制的SRG电压闭环控制仿真实验

基于SRG非线性数学模型和电压闭环控制，增加模糊APC控制环节，根据前文具体控制策略，中低风速时靠PID控制器调节相电路斩波值，当风速聚变时，无法进入电流斩波模式，通过模糊APC环节对开通角进行闭环调整的控制方案，控制输出电压，实现平滑切换。搭建的基于PWM斩波和APC复合控制的SRG电压闭环控制仿真模型，见图7。为了便于直观体现电机转速对输出电压的影响情况，给定稳定转速为300r/min、600r/min和给定变化转速按图8（a）做阶跃变化，在不同情况下SRG系统输出电压uc仿真实验结果见图8（b）～（d）。

对比图6和图8的仿真结果，可以看出开关磁阻风力发电系统在单一PWM斩波电压闭环模式控制下，系统输出电压能够保持电压给定值，但电机转速增大或转速突变时，电压脉动较大，过渡时间较长，系统鲁棒性与稳定性不理想。基于PWM斩波和APC复合控制的SRG电压闭环控制，在电压闭环反馈控制系统引入APC控制单元后能快速动态响应，控制精度加强，有效地稳定电压。

图8 基于PWM斩波和APC复合控制的SRG电压闭环控制仿真模型的仿真结果Fig.8Simulation results based on PWM and APC composite control of the SRG voltage closed-loop control simulation model

4 基于DSP的SRG模拟装置及实验结果

设计的低速直驱SRG风力发电系统结构框图见图9，在实验平台上进行改造，研制了基于DSP的低速直驱开关磁阻风力发电系统模拟装置，见图10。选用实验平台上的直流原动机及其转速控制电路、测速装置、和示波器等，增加开关磁阻发电机、及研制设计的功率变换器、DSP控制器及外围电路等装置。SRG参数如下：额定功率750 W；额定转速1 500 r/min；相数为4；定/转子极数为8/6。直流电机参数如下：额定功率800 W；额定转速1 600 r/min。利用实验平台上整流电路将交流电源整流给直流原动机供电，通过对其调压调速模拟风速变化，模拟低变速直驱风力发电。发电运行时，给定电机转速在300～1 500 r/min之间变化，充分逼真地模拟实际风速的随机性、不确定性和爆发性的特点，见图11所示电机瞬间位置检测信号波形图。出于实验设备的安全性考虑，程序设定的目标电压为150 V，关断角固定为48°，开通角受电压反馈闭环控制调节。输出电压波形稳定在150 V，见图12，放大后波形见图13，可见输出电压具有相对较小的电压脉动。

图9 低速直驱SRG风力发电系统结构框图Fig.9Block diagram of low-speed direct-drive SRG wind power system

图10 变速直驱开关磁阻风力发电系统模拟装置Fig.10Direct drive switched reluctance variable speed wind power system simulator

图11 转速约600 r/min时位置检测信号波形Fig.11Position detection signal waveforms when the speed of about 600 r/min

图12 SRG输出电压波形Fig.12SRG output voltage waveform

图13 输出电压放大波形Fig.13Amplification waveform of the output voltage

5 结语

作为新能源风力发电系统，开关磁阻风力发电系统在中、低变速直驱风力发电方面，较其他风力发电系统具有独特的优势。基于PWM斩波和APC复合控制，综合了两种控制模式的优势，较好地解决风速具有不确定与突变性的实际问题，优化SRG风电系统输出电压。通过MATLAB仿真实验，和基于DSP的低变速直驱SRG风力发电系统模拟装置进行的变风速发电实验，表明该系统具有结构较简单，成本低，可靠性高，在工程实践中具有一定的指导意义。

[1]峁美琴，余世杰，苏建薇，等（Mao Meiqin，Yu Shijie，Su Jianhui，et al）.开关磁阻发电机用于直接驱动、变速运行风力发电系统的评估（The evaluation of switched reluctance generator for direct-drive variable-speed wind energy system）[J].太阳能学报（Acta Energiae Solaris Sinica），2005，26（3）：386-390.

[2]徐彦，徐建国，赵嵩（Xu Yan，Xu Jianguo，Zhao Song）.开关磁阻发电机的原理与控制策略研究（Theory and control research on switched reluctance generator）[J].电机与控制应用（Electric Machines&Control Application），2006，33（11）：10-13.

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[8]熊立新，高厚磊，徐丙根，等（Xiong Lixin，Gao Huolei，Xu Bingyin，et al）.变速直驱开关磁阻风力发电系统的控制与实现（The control and practice on variable-speed direct-driven switched reluctance wind generator）[J].太阳能学报（Acta Energiae Solaris Sinica），2010，31（6）：782-788.

Output Voltage Optimal Control of Switched Reluctance Wind Power Generator System

ZENG Wu，YI Ling-zhi，YU Yun-hui，DAI Biao，DAI Jian-li
（College of Information Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China）

Aiming at solving the problem that the switched reluctance wind power generator system can hardly control the output voltage fast，dynamically and stably when the wind speed changes abruptly，this paper proposes a new compound control method which combines the pulse width modulation（PWM）chopping control and angle position control together.Under middle and low wind speed，PWM chopping control is used.When the wind changes abruptly，the angle position control starts to work.By using these control strategies，the smooth transition of these two control modes can be achieved and the output voltage control is optimized which can effectively inhibit the influence to output voltage when the wind changes abruptly.This method responds fast and dynamically，with accurate control and strong robustness.The simulation experiment and the developed experimental device prove the feasibility and effectiveness of this compound control method.

switched reluctance wind power generation system；PWM chopping control；angle position control；compound control

TM352

A

1003-8930（2013）03-0061-06

曾武（1987—），男，硕士研究生，研究方向为电气工程。Email：zeng2009wu@163.com

2012-02-13；

2012-03-23

湖南省自科基金项目（11JJ8004）；湖南省科技厅项目（2010FJ3116）；湖南省教育厅重点项目（10A114）

易灵芝（1966—），女，教授，硕士生导师，研究方向为电力电子与电力传动。Email：ylzwyh@yahoo.com

禹云辉（1987—），男，硕士研究生，研究方向为电气工程。Email：kaileyuyunhui@sina.com