基于开关磁阻发电机的变速恒频风力发电研究

／湘电集团有限公司 钟坤炎 ／

基于开关磁阻发电机的变速恒频风力发电研究

／湘电集团有限公司 钟坤炎 ／

剖析了SRG体系构造特征，一般的发电机是恒速运行方式，即在一定转速下输出一定的电压，效率不高。本文在仿真软件中构造了SRG的理论模型，并在变转速下发电运行。仿真结果表明，通过合理的控制方法，开关磁阻发电机可以变速恒频发电，有效提高风能的利用效率。

SRG理论模型；风能效率；变速发电；软件建模仿真

0 引言

开关磁阻发电机简称SRG，由定子和转子组成。定子是内凸结构，转子是外凸结构。两者都由若干对极构成，极对数的不同使两者之间形成转差角。SRG现较多使用四相（8／6极）结构[1-7]。20世纪末，英国学者最先进行SRG的技术开发[5]。一般的发电机是恒速运行方式，即在一定转速下输出一定的电压，效率不高。现实情况是风速并不恒定，需要用变速发电机提高风能利用效率，即变速恒频发电。SRG因其较为简单的结构，在变速发电上有较好的应用价值[2]。

1 开关磁阻风力发电系统

风力发电系统首先由风能变为机械能，再由机械能转变为电能。开关磁阻发电系统简称SRD，如图1所示。变化的风能带动风轮机旋转，SRG转子转速也是时刻变化的。位置检测器检测到转子位置发送位置信号到控制系统，同时控制系统根据电机各相的电流电压信号控制开关元件的通断，此时发电机发出直流电，经过逆变后回馈电网[1,2]。

风速变化带动风轮机转速变化，SRG转速因而不恒定，但控制SRG参数的变化，能实现输出电压恒定。即实现变速恒频控制。

图1 SRD发电示意图

2 SRG发电运行时的结构原理

SRG运转的基本原理是转子每对极的中心线要与定子每对极的励磁磁场中心线重合。电机运行在电动状态时，控制定子各对极顺时针或逆时针的励磁顺序就可以控制转子的转向[8-10]。当风轮机带动电机转子转动时，在定子上加一个与转子转向相反励磁顺序就能发出电能。

图2为四相（8／6极）开关磁阻电机发电运行时的原理图。转子在风力推动下逆时针旋转。系统由外接电源U励磁。根据转子1-1'，2-2'，3-3'三对极和定子A-A1，B-B1，C-C1，D-D1四对极的相对位置，控制开关S1，S2闭合时间，定子各级磁路产生相反的转矩。从而将风能转化为磁能储存在磁场中。S1，S2断开后，磁场能通过续流二极管D1，D2转化为电能回馈电网，实现发电运行。

图2 SRG发电运行原理图

3 SRG建模

3.1 开关磁阻发动机理论模型

相电压方程：

相磁链方程：

机械运动方程：

SRG是一个非线性系统，要用非线性方法才能精确分析其特性。

非线性相电感方程[7]：

电磁转矩方程：

总电磁转矩方程：

相电流方程：

开关磁阻电机的转子位置和电流之间的关系如图3所示。

图3 开关磁阻电机的转子位置和电流之间的关系

3.2 SRG的MATLAB/Simulink仿真模型

根据以上的开关磁阻发电机理论公式，构建了开关磁阻发电机在MATLAB／Simulink软件中的四相8/6极仿真模型，如图4所示。由PI调节器调节给定电压和输出电压之间的电压差，将开关信号加到主开关中，达成PWM控制。

SRG四相总体结构如图5所示，一相内部结构如图6所示。

4 仿真运行和分析

给定参数为：Lmin=15mH，Lmax=100mH，R=0.12Ω，n=1200r/ min，P=700W，J=0.0015kg·m2，F=0.0173。四相8／6极，采用不对称半桥式功率变换器。仿真结果如图7~图10所示。

图4 SRG四相8/6极仿真图

图5 SRG四相总体结构图

图6 SRG一相内部结构图

图7 一相电流波形

图8 一相转矩波形

图9

图10

建模得到的SRG一相电流波形，一相转矩波形如图7、图8所示，其与理论波形一致。

变速恒频发电就是当发电机转速变化时，能输出频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电。

如图9a所示，系统给定500V，转速1200r／min建压，在t=0.05s时，转速下降，图9b为该情况下的输出电压波形；图10a所示，系统以转速600r／min建压，在t=0.05s时，转速上升，图10b为该情况下的输出电压波形。由仿真结果可以看出，电压在闭环PI调节下，当转速变化时，输出电压可以基本保持稳定。

5 结束语

本文在仿真软件中创建了SRG的理论模型，并仿真其在变速运行时的发电情况。仿真结果表明，通过合理的控制方法，开关磁阻发电机可以变速恒频发电，有效提高风能的利用效率。变速恒频发电是风力发电技术发展的必然趋势，也是风力发电中的关键核心技术，对SRG风电系统的研究具有很大的实用意义。

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