升压斩波控制开关磁阻风力发电机系统声讯系统

摘 要：为准确地控制发电机的电磁转矩、满足风力发电机组最大功率点跟踪运行要求，提出一种横向磁通开关磁阻发电机转矩控制第略。采用相功率变换器构建励磁与升压斩波电路，可在整个变速运行范围内有效地控制绕组电流的幅值和波形。该变换器通过直流母线与三相逆变器相连，即可构成完整的变速恒频风力发电琦率变换装置。样机实验结果表明：采用该方法的风电系统能够将绕组电流限制在±0．5A域值范围内。从而在转矩／功率控制精度、运行平稳性和直流母线电压纹波等性能上比传统系统更为优越。
关键词：风力发电；变速恒频；磁阻电机；斩波控制

开关磁阻发电机(switched teluctance genera-tor，SRG)及其变流器结构简单、坚固，制造成本低，运行可靠性高，便于保护，这些优良特性使它非常适合于工作环境复杂、恶劣的风力发电系统。如果进一步采用横向磁通结构的SRG，则即使在很低的转速下也能发生较大的电磁转矩，因而可省去升速齿轮箱，实现直驱发电。
SRG绕组中的电流具有单方向、周期性脉冲特征：在电流变化的1个周期内，可分为励磁和发电2个时间段。传统的SRG仅对励磁期间的电流进行限幅斩波控制，而一旦励磁结束，绕组电流将自动进入反压续流状态，向直流母线馈电。在发电期间，发电机的绕组电流和电磁功率处于失控状态，只能预先改变励磁关断时刻加以调节。这种功率调节方法较为粗略，难以满足变速恒频风力发电系统跟踪最大功率点运行的要求。
采用开关角度优化与软励磁相结合的办法可在发电机的低速运行段，对绕组电流进行幅值控制。如果使用额外的电流控制电路，例如再生式功率变换器，同样可以控制绕组电流的幅值。然而，上述这些方法都没有在全速范围内实现绕组电流的完全控制。
为解决传统SRG在发电期间的电流失控问题，本文提出一种升压型SRG运行与控制模式。基本思想是使相功率变换器中的直流母线电压恒高于发电机绕组中的运动电势，只有在运动电势与变压器电势之和超出母线电压时，发电机才向其注入电流，否则升压电路利用运动电势提升绕组电流，增加绕组中的磁场储能。分析与实验表明：该方法能够准确控制发电机绕组电流的幅值和波形，使SRG风电系统的转矩控制精度得到明显地改善。

l 理论分析

1．1 变速风力机的控制要求
由空气动力学可知,风力机的输出功率P一般与风速u、风轮转速和桨叶的桨距角β有关，即

式中：ρ为空气密度;S为风轮扫风面积;叶尖速比λ=ωR/υ，ω为风轮转速；R为风轮半径；v为风速；Cp(λ，β)为风力机的风能利用系数。
当风速低于额定值时，应使风力机尽量捕获风能，此时桨叶的桨距角固定在接近于零度的位置。为使风力机的风能利用系数维持在较高的水平，从而捕获最大的风能，应保持叶尖速比基本不变，一般可通过动态调节发电机的电磁转矩，闭环控制风轮转速，所以，在整个变速运行范围内，发电机电磁转矩的控制精度对于风力机跟长笛踪最大功率点运行影响极大。

1．2 升压型SRG运行分析
SRG的相功率变换器主电路如图1所示。由第k相绕组Lk构成的不对称半桥电路中：T1、T2为可控主开关器件；D1、D2是续流二级管；而us为开关磁阻电机在自励模式下的起励电源。在系统直流侧电容电压udc稳定后，电路将由二极管D断开，电容Cdc为直流母线的储能电容。

传统的SRG绕组电流控制多采用角度或斩波控制方法：转子进入励磁后视镜期间时，开关管T1和T2同时导通，在直流母线电压udc的作用下，绕组电流开始上升建立磁场。当绕组电流超过给定值，Irel时，T1和T2同时关断，绕组电流进入反压续流状态，电流开始下降，绕组将过剩的磁场储能返还给电网。如采用滞环控制，则可以将绕组电流稳定在Iref附近。当转子位置超过励磁终止角θoff时，T1和T2同时关断，绕组电流进入反压续流状态，此时由于绕组电感对转角的变化率dL／dθ<0，发电机将机械能转换为电能。绕组电流的变化趋势取决于运动电势em=ωi(dL/dθ)的大小：如果em>udc，绕组电流继续上升，反之绕组电流下降。当续流过程结束后，绕组电流处于截止状态。该数学模型可用电机第k相的2值逻辑开关函数Sk表示为

其中：T1和T2同时导通时Sk=1；T1和T2同时关断时Sk=-1；em为绕组中的运动电势；ef为绕组中的变压器电动势；△u为开关管或续流二级管导通管压降。
而ik产生的电磁转矩则是第k相绕组电流和转子位置角的函数。在理想线性模型下的转矩为

显然，在角度或斩波控制方式中，发电期间绕组电流处于不加控制的反粉尘滤芯压续流状态。唯一对它有影响的只是励磁结束角和该时刻的绕组电流初值。这使得绕组电流与电磁转矩的控制呈现严重的非线性特征，导致风力机和电机转速以及直流母线电压都会发生较大的波动。
在SRG发电期间，如果对绕组电流继续进行滞环控制，则有可能使电流波形接近理想的方波形式。实现这一控制目标的关键是必须建立适当的绕组电流上升与下降机制。当绕组电流小于给定值Iref时，有2种方法提升绕组电流：1)同时开通开关管T1和T2，绕组电流在同方向的udc和em共同作用下迅速上升。此时流向直流母线的充电电流为负值;2)只开通T1，而T2保持关断，绕组电流在em的作用下上升，但上升速度稍慢。显然，这时的充电电流为0。比较上热转印述2种提升绕组电流的方法可知，前一