用于小型風(fēng)力發(fā)電的SRG建模與控制
彭寒梅，易靈芝，鄧文浪
(湘潭大學(xué)，湖南湘潭411105)
摘要：介紹開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成；分析SRG的發(fā)電原理和非線性模型；針對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行速度低的特點(diǎn)，SRG采用電流斬波控制模式，電壓反饋控制抑制輸出電壓波動；在Madab中建立SRG電壓反饋控制仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了StlG建模的正確性，驗(yàn)證了SRG用于小型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有效性。
關(guān)鍵詞：SRG；變速恒頻；電流斬波；電壓反饋控制
中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)05—0070—04
0引言
由于化石燃料消耗的增加，空氣污染和全球變暖問題變得日益嚴(yán)重。因此，有許多的研究涉及利用自然能源發(fā)電，以有效應(yīng)付這些問題。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是其中一個最有用的發(fā)電系統(tǒng)[1]。
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，發(fā)電效率高，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。目前，用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有永磁同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)。刃(磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電效率高，但是它的材料成本高；異步發(fā)電機(jī)維護(hù)要求低，但是發(fā)電效率低[2-3]。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，可控參數(shù)多、容錯能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足變速恒頻發(fā)電的要求[4-5]。特別是SRG低速性能好，非常適合于直接驅(qū)動、變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，一般用于低速的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中[6]，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域有較大的發(fā)展?jié)摿脱芯績r值。目前，國內(nèi)在這方面的研究處在起步階段。本文針對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行速度低的特點(diǎn)[7]，對SRG采用電流斬波控制[8]，用H調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)SRG的輸出電壓，從而達(dá)到變速恒頻發(fā)電；給出了詳細(xì)的建模和仿真結(jié)果分析。
1開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
1．1開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成簡介
開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，是以SRG為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換核心的發(fā)電系統(tǒng)，主要包括 圖2--風(fēng)力機(jī)、SIqG及其功率變換器、控制圖開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)器、負(fù)載和輔助電源等部分，如需并網(wǎng)則要加逆變器。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，致使SRG轉(zhuǎn)速變化，通過對SRG的參數(shù)控制，能實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定，滿足變速恒頻發(fā)電。與其它變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、電流檢測環(huán)節(jié)少、主功率器件少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
1 2 SRG發(fā)電原理及控制
SRG把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，是利用使相電流與轉(zhuǎn)子位置合適地進(jìn)行同步來實(shí)現(xiàn)的。繪定子某相繞組在該相凸極中心與轉(zhuǎn)子凸極中心重合附近加勵磁(如圖2中的目。。位置)，則轉(zhuǎn)子上的力矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向相反，這就是SRG發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，分為勵磁和發(fā)電續(xù)流兩個階段(如圖2中的區(qū)域I和區(qū)域1I)。圖2為SRG發(fā)電運(yùn)行時，定子線性相電感、相電流隨轉(zhuǎn)子位置角θ變化的曲線。圖中，坐標(biāo)原點(diǎn)(θ=O)對應(yīng)定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合位
置，此時相電感最小。O～θ3為一個電感變化周期。
SRG可以采用自勵和他勵兩種發(fā)電模式，SRG自勵發(fā)電模式主電路如圖3所示。自勵模式是在電壓建立的初始瞬間，由外電源Us提供初始勵磁，當(dāng)電壓達(dá)到控制所需的穩(wěn)定值后，切斷外電源，此后SRG本身發(fā)出的電壓uc提供勵磁。在自勵模式中，由于建壓后不再需要外電源，系統(tǒng)體積較小，效率高。他勵模式下，勵磁回路與發(fā)電回路彼此獨(dú)立，線路比較復(fù)雜，但由于在sRG發(fā)電運(yùn)行過程中始終由外部電源提供勵磁，此時勵磁電壓與輸出電壓無關(guān)，兩者可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，因此控制比較方便。在實(shí)際應(yīng)用中，需考慮sRG具體運(yùn)行條件，選用不同的勵磁模式。本文采用sRc自勵發(fā)電模式。
在白勵模式中，勵磁是通過功率變換器獲得的，當(dāng)可控開關(guān)(s1-s8)導(dǎo)通時，在SRG相繞組中建立勵磁電流。當(dāng)可控開關(guān)關(guān)斷后，相繞組能量通過續(xù)流二極管(VDl一VD8)返回，返回能量比勵磁期間相繞組吸收的能量要大。
SRG運(yùn)行狀態(tài)分為勵磁階段和發(fā)電續(xù)流階段兩個過程。設(shè)θon為可控開關(guān)開通角，θoff為可控開關(guān)關(guān)斷角。對于sRG運(yùn)行來說，其發(fā)電續(xù)流階段(θ>θof)無法直接控制，只有通過調(diào)節(jié)勵磁階段(θon<θ<θoff)的相電流來控制發(fā)電續(xù)流階段。θoff時sRG相電流的大小反映了勵磁的強(qiáng)度，同時反映了存儲磁場能量的大小，是SRG的主控參數(shù)。sRG的實(shí)際控制變量有：開通角θ |
