用于小型风力发电的SRG建模与控制
彭寒梅，易灵芝，邓文浪
(湘潭大学，湖南湘潭411105)
摘要：介绍开关磁阻风力发电系统组成；分析SRG的发电原理和非线性模型；针对小型风力发电系统运行速度低的特点，SRG采用电流斩波控制模式，电压反馈控制抑制输出电压波动；在Madab中建立SRG电压反馈控制仿真系统，仿真结果验证了StlG建模的正确性，验证了SRG用于小型变速恒频风力发电系统的有效性。
关键词：SRG；变速恒频；电流斩波；电压反馈控制
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2010)05—0070—04
0引言
由于化石燃料消耗的增加，空气污染和全球变暖问题变得日益严重。因此，有许多的研究涉及利用自然能源发电，以有效应付这些问题。小型风力发电系统是其中一个最有用的发电系统[1]。
变速恒频发电是20世纪末发展起来的一种新型发电方式，发电效率高，是风力发电技术发展的必然趋势。目前，用于风力发电系统有永磁同步发电机和异步发电机。刃(磁同步发电机发电效率高，但是它的材料成本高；异步发电机维护要求低，但是发电效率低[2-3]。开关磁阻发电机具有结构简单，可控参数多、容错能力强等特点，能够满足变速恒频发电的要求[4-5]。特别是SRG低速性能好，非常适合于直接驱动、变速运行的风力发电系统，一般用于低速的小型风力发电系统中[6]，在风力发电领域有较大的发展潜力和研究价值。目前，国内在这方面的研究处在起步阶段。本文针对小型风力发电系统运行速度低的特点[7]，对SRG采用电流斩波控制[8]，用H调节器调节SRG的输出电压，从而达到变速恒频发电；给出了详细的建模和仿真结果分析。
1开关磁阻风力发电系统
1．1开关磁阻风力发电系统组成简介
开关磁阻风力发电系统如图1所示，是以SRG为机电能量转换核心的发电系统，主要包括 图2--风力机、SIqG及其功率变换器、控制图开关磁阻风力发电系统构器、负载和辅助电源等部分，如需并网则要加逆变器。风力机转速随风速变化，致使SRG转速变化，通过对SRG的参数控制，能实现输出电压恒定，满足变速恒频发电。与其它变速恒频发电系统相比，开关磁阻风力发电系统具有结构简单、电流检测环节少、主功率器件少、成本低等优点。
1 2 SRG发电原理及控制
SRG把机械能转换成电能，是利用使相电流与转子位置合适地进行同步来实现的。绘定子某相绕组在该相凸极中心与转子凸极中心重合附近加励磁(如图2中的目。。位置)，则转子上的力矩与转子旋转的方向相反，这就是SRG发电运行状态，分为励磁和发电续流两个阶段(如图2中的区域I和区域1I)。图2为SRG发电运行时，定子线性相电感、相电流随转子位置角θ变化的曲线。图中，坐标原点(θ=O)对应定子凸极中心与转子凹槽中心重合位
置，此时相电感最小。O～θ3为一个电感变化周期。
SRG可以采用自励和他励两种发电模式，SRG自励发电模式主电路如图3所示。自励模式是在电压建立的初始瞬间，由外电源Us提供初始励磁，当电压达到控制所需的稳定值后，切断外电源，此后SRG本身发出的电压uc提供励磁。在自励模式中，由于建压后不再需要外电源，系统体积较小，效率高。他励模式下，励磁回路与发电回路彼此独立，线路比较复杂，但由于在sRG发电运行过程中始终由外部电源提供励磁，此时励磁电压与输出电压无关，两者可以独立调节，因此控制比较方便。在实际应用中，需考虑sRG具体运行条件，选用不同的励磁模式。本文采用sRc自励发电模式。
在白励模式中，励磁是通过功率变换器获得的，当可控开关(s1-s8)导通时，在SRG相绕组中建立励磁电流。当可控开关关断后，相绕组能量通过续流二极管(VDl一VD8)返回，返回能量比励磁期间相绕组吸收的能量要大。
SRG运行状态分为励磁阶段和发电续流阶段两个过程。设θon为可控开关开通角，θoff为可控开关关断角。对于sRG运行来说，其发电续流阶段(θ>θof)无法直接控制，只有通过调节励磁阶段(θon<θ<θoff)的相电流来控制发电续流阶段。θoff时sRG相电流的大小反映了励磁的强度，同时反映了存储磁场能量的大小，是SRG的主控参数。sRG的实际控制变量有：开通角θon、关断角θoff励磁电压及相电流上限。sRG通常有三种基本控制方法：角度位置控制、电压斩波控制、电流斩波控制。这三种控制方式都是调节励磁电流，其中电流斩波控制适合低中速，本文对SRG采用电流斩波控制。电流随转子位置角θ变化的曲线。图中，坐标原点(θ=O)对应定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，此时相电感最小。O～θ3为一个电感变化周期。 SRG可以采用自励和他励两种发电模式，SRG自励发电模式主电路如图3所示。自励模式是在电压建立的初始瞬间，由外电源Us提供初始励磁，当电压达到控制所需的稳定值后，切断外电源，此后由SRG本身发出的电压uc提供励磁。在自励模式中，由于建压后不再需要外电源，系统体积较小，效率高。他励模式下，励磁回路与发电回路彼此独立，线
路比较复杂，但由于在sRG发电运行过程中始终由外部电源提供励磁，此时励磁电压与输出电压无关，两者可以独立调节，因此控制比较方便。在实际应用中，需考虑sRG具体运行条件，选用不同的励磁模式。本文采用sRc自励发电模式。
在白励模式中，励磁是通过功率变换器获得的，当可控开关(s1-s8)导通时，在SRG相绕组中建立励磁电流。当可控开关关断后，相绕组能量通过续流二极管(VDl一VD8)返回，返回能量比励磁期间相绕组吸收的能量要大。
SRG运行状态分为励磁阶段和发电续流阶段两个过程。设θon为可控开关开通角，θoff为可控开关关断角。对于sRG运行来说，其发电续流阶段(θ>θof)无法直接控制，只有通过调节励磁阶段(θon<θ<θoff)的相电流来控制发电续流阶段。θoff时sRG相电流的大小反映了励磁的强度，同时反映了存储磁场能量的大小，是SRG的主控参数。sRG的实际控制变量有：开通角θon、关断角θoff励磁电压及相电流上限。sRG通常有三种基本控制方法：角度位置控制、电压斩波控制、电流斩波控制。这三种控制方式都是调节励磁电流，其中电流斩波控制适合低中速，本文对SRG采用电流斩波控制。
从仿真结果可见，在驱动转矩变化时，SRG的输出电压基本保持不变。O。5 s稳定后，直流电压分量为150 V，谐波含量为1．02％。SRG的转速也能快速稳定。
4结语
高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电机系统是风力发电技术研究的重点。sRG具有可控参数多、控制灵活等特点，能够满足变速恒频发电的要求，在风力发电领域有很大的发展潜力和研究价值。本文分析了SRG的发电原理及制；分析了sRG非线性模型；针对小型风力发电系统运行速度低的特点，sRG采用电流斩波控制，PI调节器调节SRG输出电压；在Matlah环境中建立了sRG电压反馈控制系统动态仿真。仿真结果表明，当sRG转速 从仿真结果可见，在驱动转矩变化时，SRG的输出电压基本保持不变。O。5 s稳定后，直流电压分量为150 V，谐波含量为1．02％。SRG的转速也能快速稳定。
4结语
高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电机系统是风力发电技术研究的重点。sRG具有可控参数多、控制灵活等特点，能够满足变速恒频发电的要求，在风力发电领域有很大的发展潜力和研究价值。本文分析了SRG的发电原理及制；分析了sRG非线性模型；针对小型风力发电系统运行速度低的特点，sRG采用电流斩波控制，PI调节器调节SRG输出电压；在Matlah环境中建立了sRG电压反馈控制系统动态仿真。仿真结果表明，当sRG转速改变时输出电压基本保持不变，谐波含量小，系统静动态性能好，验证了SRG建模的正确性和用于变速恒频风力发电的有效性。对实际SR用于风力发电的研究和设计具有很好的实用价值。
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