基于恒功率控制的SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定研究

1、畢業(yè)設(shè)計說明書題 目：基于恒功率控制的SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定研究 專 業(yè)： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2011年5月 湘潭大學(xué)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：基于恒功率控制的SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定研究 學(xué)號： 姓名： 專業(yè)： 指導(dǎo)教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 主要內(nèi)容：分析風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變速情況下的輸出，提出適當(dāng)?shù)目刂品绞?，使其在風(fēng)速一直增大時能保持輸出功率基本穩(wěn)定。要求用SRG風(fēng)力發(fā)電模塊。 基本要求：1. 熟悉風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境，弄清楚SRG的工作原理； 2. 熟悉風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，了解風(fēng)速控制理論； 3. 熟悉使用發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器、分析各個調(diào)節(jié)器對整個風(fēng)機(jī)的

2、輸出影響； 4. 根據(jù)要求設(shè)計Matlab圖紙，調(diào)試，并仿真； 5. 按規(guī)定要求完成畢業(yè)設(shè)計說明書（10000字以上）。 二、重點(diǎn)研究的問題 1. 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行條件、控制要求； 2根據(jù)系統(tǒng)的控制因素，確定控制參數(shù)、控制手段； 3SRG的閉環(huán)控制特點(diǎn)； 4設(shè)計Matlab仿真圖，調(diào)試出結(jié)果 3、 進(jìn)度安排序號各階段完成的內(nèi)容完成時間1查閱資料、調(diào)研2011年1月1日2011年2月28日2寫出開題報告、指定設(shè)計方案2011年3月1日2011年3月30日3提出控制理論圖，軟件設(shè)計2011年4月1日2011年4月25日4調(diào)試結(jié)果2011年4月26日2011年5月15日5糾錯、完善、寫論文2011

3、年5月15日2011年5月21日6準(zhǔn)備答辯2011年5月21日2011年5月30日基于恒功率控制的SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定研究 湘 潭 大 學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見 學(xué)號： 姓名： 專業(yè)： 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 頁 圖 表 張論文（設(shè)計）題目： 基于恒功率控制的SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定研究 內(nèi)容提要：這一段時間里，我具體查閱資料，根據(jù)我需要做的畢業(yè)設(shè)計課題特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在恒功率控制這一塊，因此，著重翻閱諸多資料，推出自己的一些想法，完成了以下一系列工作：（1）搜集了有關(guān)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的文獻(xiàn)；指導(dǎo)教師評語指導(dǎo)教師： 年 月 日答辯簡要情況及評語答辯小組組長： 年 月 日答辯委員會意見答辯

4、委員會主任： 年 月 日 摘要隨著化石燃料的不斷消耗，世界能源危機(jī)已經(jīng)日益彰顯成為一個全球關(guān)注的話題，常規(guī)能源通常以煤、石油、天然氣為主，資源有限，而且化石燃料的燃燒會帶來一系列問題，比如全球變暖、空氣污染、臭氧層的破壞等等。因此，我們必須挖掘其他可以替代的能源。本文重點(diǎn)圍繞在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（Switched Reluctance Generator,簡稱SRG）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的恒功率輸出，為了證明其在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展前途，本文較全面的分析了世界各國風(fēng)力發(fā)展的狀況，突出顯示風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的強(qiáng)勁發(fā)展勢頭。開關(guān)磁阻電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中是一個比較新穎的個例，本文分析了這種發(fā)電機(jī)的獨(dú)特之處以及他的優(yōu)勢

5、，明確了開關(guān)磁阻電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的意義。其次，著重介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，本文選擇6/4相的發(fā)電機(jī)為例，分析自勵建壓特性理論，發(fā)電系統(tǒng)的線性模型，各個重要器件工作原理和起到的作用及對發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定的影響，最后選定在變速發(fā)電系統(tǒng)中，用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制來實現(xiàn)風(fēng)機(jī)的恒功率輸出。最后，本文建立了較完善的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab Simulink仿真軟件，建立SRG系統(tǒng)的仿真模型，得到了在風(fēng)速改變的情況下，風(fēng)機(jī)輸出功率的曲線，結(jié)論證明在風(fēng)速達(dá)到臨界值后，風(fēng)機(jī)功率不會隨著風(fēng)速的繼續(xù)增大而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電的恒功率控制。關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；恒功率輸出；建模與仿

6、真AbstractWith the constantly fossil fuel consumption, the world energy crisis has increasingly reveal a subject of global interest, conventional energy normally with coal, oil and natural gas ,but the resource is limited ,and the burning of fossil fuels will bring a series of problems, such as globa

7、l warming, air pollution, ozone destruction, etc. Therefore, we must discover other alternative energy, This paper mainly around SRG(the abbreviation of Switched Reluctance Generator) in order to prove that constant power output in the power generation field application and developmentprospect, this

8、 paper comprehensively analyzed the world wind development situation, to highlight the strong development tendency of the wind power systems.Switched reluctance motor in wind power system is a relatively new examples, this article analyzed the unique of its generator and advantages, explicit switche

9、d reluctance motor in the meaning of wind power systems.Secondly, I introduced switched reluctance motor structure and working principle emphatically, this paper choosen 6/4 phases as an example, the paper analyzed the building of the generators voltage characteristic theory, interpreted the linear

10、model, the every important devices working principles and the functions and the effects of generator stable output of the power generation systems, finallyI selected speed closed-loop control to realize constant power output in the variable wind speed environment.Finally, this paper established a pe

11、rfect mathematical model, by the use of Matlab Simulink software,I established a simulation model of SRG system, obtained with a wind change circumstances, and its output power curve,the conclusion proof in the winds reach critical value, wind power will not increase with fan continued to grow , and

12、 gradually become stable,this realized constant power control of the wind power generation.Keywords: Switched reluctance generator; Wind power system; Constant power output; Modeling and simulation摘要7Abstract8第一章 引言101.1國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)展現(xiàn)況10國外風(fēng)力發(fā)展?fàn)顩r10我國風(fēng)力發(fā)展?fàn)顩r12第二章 SRG系統(tǒng)和運(yùn)行原理132.1 SRG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)132.1.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)132.1

13、.2 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的具體構(gòu)成142.2 SRG電機(jī)電動和發(fā)電原理152.4 開通關(guān)斷角的調(diào)節(jié)作用182.5功率變換器19第三章 SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制193.1 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制模式203.1.1 角度位置控制203.1.2 電流斬波控制213.1.3 PWM控制213.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能捕獲原理223.3 SRG風(fēng)力發(fā)電控制器設(shè)計233.3.1 中、低風(fēng)速時SRG的控制233.3.2 高風(fēng)速時SRG控制系統(tǒng)233.4 風(fēng)能最大捕獲方案243.4.1 風(fēng)速跟蹤方案243.4.2 功率擾動控制方案253.4.3 轉(zhuǎn)速反饋控制方案26第四章 開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)的仿真結(jié)果26參考文獻(xiàn)2

14、9第一章 引言1.1國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)展現(xiàn)況國外風(fēng)力發(fā)展?fàn)顩r風(fēng)電在最近幾個世紀(jì)都是世界上增長速度最快的能源。因為化石燃料的不斷消耗，可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)今世界的共同話題，因此，發(fā)展可再生能源已經(jīng)是大勢所趨。目前，風(fēng)電在全球100多個國家和地區(qū)都有應(yīng)用，在電力供應(yīng)中占有很高的比例，例如丹麥的風(fēng)電已超過整個電力供應(yīng)的20%，西班牙達(dá)到了14.3%。未來各國風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)更加宏偉，丹麥計劃2025年風(fēng)電占到整個電力的50%，美國提出了2030年風(fēng)電占整個電力的20%目標(biāo)，歐盟2020年20%可再生能源電力的目標(biāo)中將有一半來自風(fēng)電。主要發(fā)達(dá)國家、發(fā)展中國家，都已經(jīng)將發(fā)展風(fēng)能、太陽能等可再生能源作為應(yīng)對新世紀(jì)能

15、源和氣候變化雙重挑戰(zhàn)的重要手段。然而，除水能之外的所有可再生能源中，風(fēng)能無疑是世界上公認(rèn)的最接近商業(yè)化的可再生能源技術(shù)之一。與太陽能、生物質(zhì)能相比，風(fēng)能的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)最好，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢最明顯，而且不存在生物質(zhì)能所面臨的資源約束，另外也沒有任何大的環(huán)境影響，在可預(yù)見的時間內(nèi)（20302050年），都將是最有可能大規(guī)模發(fā)展的能源資源之一。根據(jù)目前的風(fēng)電技術(shù)水平，風(fēng)電成本高于常規(guī)電力成本，因此許多國家采取了諸如價格、市場配額、稅收等各種激勵政策，從各個方面引導(dǎo)支持風(fēng)電的發(fā)展。例如，德國和西班牙等歐洲國家采用的長期保護(hù)性電價政策，為風(fēng)電和其他可再生能源開發(fā)商提供擔(dān)保的上網(wǎng)電價，并要求電力公司與風(fēng)力發(fā)電開發(fā)

16、商簽署長期購電合同；英美等國主要采取可再生能源配額制政策，規(guī)定在總電力供應(yīng)量中可再生能源應(yīng)達(dá)到一個目標(biāo)數(shù)量，從而為風(fēng)電建立穩(wěn)定的需求市場等，同時規(guī)定達(dá)標(biāo)責(zé)任人；風(fēng)電價格由市場決定，該政策與政府的發(fā)展規(guī)劃結(jié)合，形成一個持續(xù)性的政策機(jī)制；另外，建立公共效益基金，支持風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展；此外，美國有些州還采取生產(chǎn)稅減免，減少風(fēng)電開發(fā)的成本。總之，鼓勵風(fēng)電的發(fā)展政策有很多種，這些政策的力度和范圍也有所差別，但這些政策都明確表明風(fēng)電不參與市場的競爭，從而給風(fēng)電以非常規(guī)的待遇。而且，在氣候變化壓力不斷加大的情況下，發(fā)展以風(fēng)電為代表的可再生能源，已成為各國應(yīng)對未來能源和氣候變化壓力的長期策略。在政策的鼓勵下，2

17、007 年全球風(fēng)電新裝機(jī)容量約為2 000 萬千瓦，累計裝機(jī) 9 400 萬千瓦。 2008 年是風(fēng)電發(fā)展具有標(biāo)志性的一年：這一年風(fēng)電成為非水電可再生能源中第一個全球裝機(jī)超過1億千瓦的電力資源。風(fēng)電作為能源領(lǐng)域增長最快的行業(yè)，共為全球提供了近 20 萬個就業(yè)機(jī)會，僅 2006 年風(fēng)電場建設(shè)投資就接近 170 億歐元。歐洲和美國在風(fēng)電市場中占統(tǒng)治地位，其中德國是目前風(fēng)電裝機(jī)最大的國家，裝機(jī)容量超過2 000萬千瓦；美國和西班牙也都超過了1 000 萬千瓦；印度是除美國和歐洲之外新裝機(jī)容量最大的國家，裝機(jī)總?cè)萘恳渤^ 600 萬千瓦。經(jīng)過 30 年的努力，隨著市場不斷擴(kuò)展，風(fēng)電的成本也大幅度下降，

18、每千瓦時風(fēng)電成本由20 世紀(jì)80年代初的20 美分下降到 2007年的46美分。在風(fēng)能資源較好的地方，風(fēng)電完全可以和燃煤電廠競爭，在某些地區(qū)甚至可以與燃?xì)怆娏ζ场１M管發(fā)展風(fēng)電仍然存在著這樣那樣的難度，如電網(wǎng)適應(yīng)能力、風(fēng)能資源預(yù)報水平、海上風(fēng)電發(fā)展等，但在市場穩(wěn)步擴(kuò)大、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟度不斷提升、與常規(guī)能源相比的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢逐步凸顯，特別是政策環(huán)境前景非常明朗的情況下，世界各國都對風(fēng)電發(fā)展充滿了信心。例如，歐美都公布了 2030 年風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)，提出了 2030 年風(fēng)電滿足 20% 甚至更多電力需求的宏大目標(biāo)，屆時都將發(fā)展約 3 億千瓦的規(guī)模，這也為全球風(fēng)電的長期發(fā)展定下了基調(diào)。國際能源署（IEA

19、） 2008年頒布的2050年能源技術(shù)情景判斷，2010 2050年，全球風(fēng)電平均每年增加7 000萬千瓦，風(fēng)電將成為一個龐大的新興電力市場。隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟，依靠風(fēng)力發(fā)電來增加能源供應(yīng)的方式越來越受到世界各國的青睞。以歐美等發(fā)達(dá)國家為代表，全球風(fēng)電呈現(xiàn)出 了 規(guī) 模 化 發(fā) 展 態(tài) 勢 。 據(jù) 全 球 風(fēng) 能 理 事 會（GWEC）統(tǒng)計資料，2007年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量 2 000 萬千瓦，分布在全球 70 多個國家和地區(qū)，其中，排在前五位的是美國（520 萬千瓦）、西班牙（350萬千瓦）、中國（330萬千瓦）、印度（170 萬千瓦）、德國（166 萬千瓦）。在歐洲和美國，新增風(fēng)電裝

20、機(jī)容量在近幾年成為僅次于新增天然氣發(fā)電裝機(jī)容量的第二大新增電源。此外，2007 年，英國、意大利、法國、葡萄牙、波蘭、埃及、摩洛哥、伊朗、智利、新西 MW 25 000 蘭等國家在發(fā)展風(fēng)電方面也有很好的表現(xiàn)。2003 2007 年，全球風(fēng)電平均增長率為 24.7%，總裝機(jī)容量目前累計達(dá)到9 400萬千瓦。 2007年，全球大約生產(chǎn)了 2 000億千瓦時風(fēng)電電力，約占全球電力供應(yīng)的 1%。按照累計風(fēng)電裝機(jī)容量數(shù)據(jù)排名，全球前十個國家依次是：德國（2 230 萬千瓦）、美國（1 690 萬千瓦）、西班牙（1 470 萬千瓦）、印度（780萬千瓦）、中國（590 萬千瓦）、丹麥（310 萬千瓦）、意

21、大利（270萬千瓦）、法國（250萬千瓦）、英國（240 萬千瓦）和葡萄牙（220萬千瓦）；前十名國家累計裝機(jī)容量 8 100 萬千瓦，占全球的 86%。我國風(fēng)力發(fā)展?fàn)顩r我國幅員遼闊、海岸線長，風(fēng)能資源非常豐富。中國氣象局最新調(diào)查結(jié)果顯示，我國海陸50米高度處風(fēng)能潛在可開發(fā)量約為25.8億千瓦，開發(fā)潛力巨大。經(jīng)過30多年、尤其是“十一五”這5年的快速發(fā)展，我國風(fēng)電取得了輝煌成就。據(jù)初步統(tǒng)計，2010年我國風(fēng)電新增裝機(jī)超過1600萬千瓦，累計超過4000萬千瓦，“雙居”世界第一。在巨大市場需求的推動下，我國風(fēng)電裝備制造業(yè)已經(jīng)成為具有國際競爭力的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，部分風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)進(jìn)入全球前十強(qiáng)，國

22、內(nèi)制造商已經(jīng)占據(jù)中國市場份額的85%以上，并開始出口海外。我國風(fēng)電裝備制造企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力也不斷增強(qiáng)，初步實現(xiàn)了大功率風(fēng)電機(jī)組技術(shù)從引進(jìn)消化、聯(lián)合設(shè)計到自主設(shè)計的轉(zhuǎn)化。我國企業(yè)在機(jī)組適應(yīng)我國特殊環(huán)境和風(fēng)況條件方面進(jìn)行的大量創(chuàng)新，以及我國企業(yè)自主設(shè)計和開發(fā)的多兆瓦級風(fēng)電機(jī)組下線和運(yùn)行，都充分證明我國的風(fēng)電技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。市場規(guī)模的迅速擴(kuò)大和技術(shù)創(chuàng)新能力的快速提升也促進(jìn)了我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展，一個集原材料、零部件、整機(jī)和服務(wù)業(yè)的完整產(chǎn)業(yè)體系已初具輪廓。不過，我們也應(yīng)看到，風(fēng)電在我國電源結(jié)構(gòu)中的比重仍不到1%，很多人仍然沒有意識到風(fēng)電在未來以“科學(xué)、綠色、低碳”為特征的新型能源體系中的重

23、要作用，并網(wǎng)和應(yīng)用依然是近期風(fēng)電發(fā)展的最主要障礙。站在目前4000萬千瓦裝機(jī)的新起點(diǎn)上展望未來的風(fēng)電藍(lán)圖，壯志滿懷之余，各方還應(yīng)合力解決以下幾個問題，才能使我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又好又快。第一，發(fā)展和應(yīng)用清潔能源是每個人的社會責(zé)任，要通過普及宣傳，讓全社會都認(rèn)識到，加強(qiáng)包括風(fēng)電在內(nèi)的可再生能源開發(fā)利用，是應(yīng)對日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題的必由之路，是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，從而為風(fēng)電發(fā)展?fàn)I造良好的輿論氛圍；第二，歐洲的經(jīng)驗表明，風(fēng)電并網(wǎng)和應(yīng)用的主要障礙是觀念和利益協(xié)調(diào)問題，要通過政策完善和體制機(jī)制創(chuàng)新，理順利益結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)風(fēng)電與其他行業(yè)的發(fā)展關(guān)系，破解風(fēng)電并網(wǎng)瓶頸；第三，創(chuàng)新是企業(yè)、行業(yè)乃至國

24、家競爭力的源泉，要珍惜巨大風(fēng)電市場帶來的機(jī)遇，通過加大科研投入、建立國家公共技術(shù)研發(fā)和測試平臺、加快人才隊伍建設(shè)等措施不斷完善技術(shù)創(chuàng)新體系，推動我國向風(fēng)電技術(shù)強(qiáng)國邁進(jìn)；第四，加強(qiáng)風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量控制，避免以犧牲質(zhì)量為代價的低價惡性競爭。同時，應(yīng)進(jìn)一步完善風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)體系，并通過檢測認(rèn)證等第三方評價制度，貫徹落實標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，進(jìn)一步提升風(fēng)電設(shè)備品質(zhì)；第五，加強(qiáng)國際交流與合作，創(chuàng)造有利于風(fēng)電發(fā)展的國際政策和貿(mào)易環(huán)境，促進(jìn)國際資源整合，杜絕任何形式的貿(mào)易保護(hù)主義，爭取使風(fēng)電技術(shù)早日成為無國界的“綠色”技術(shù)，讓風(fēng)能為全人類謀福。第二章 SRG系統(tǒng)和運(yùn)行原理2.1 SRG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)對開

25、關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（ ，SRG）特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析，可以得出SRG用于風(fēng)力發(fā)電有如下優(yōu)勢：(1) SRG結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上無刷、無繞組、無永久磁體，因此成本低廉；轉(zhuǎn)子不存在銅耗，發(fā)電效率較高；SRG結(jié)構(gòu)堅固，可在比較高溫和惡劣的環(huán)境中可靠運(yùn)行，適合風(fēng)力發(fā)電的野外作業(yè)環(huán)境。(2) SRG具有優(yōu)良的調(diào)速性能，能夠在寬廣的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，因而可以適應(yīng)不同風(fēng)速的要求，更高效地利用風(fēng)能。(3) SRG可控參數(shù)多，如開通角、關(guān)斷角、斬波限、勵磁電壓等，可方便的實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略，靈活的控制輸出直流電壓和電流。(4) 若在直流輸出的基礎(chǔ)上采用逆變技術(shù)，則可以獲得所需幅值和頻率的交流電，進(jìn)而實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，也可以

26、單獨(dú)或與其他發(fā)電裝置或儲能裝置聯(lián)合發(fā)電。 (5) SRG具有自勵能力，在自勵模式下，只需小容量的直流起勵電源，就可以自動建立電壓。若與蓄電池構(gòu)成互補(bǔ)系統(tǒng)，更可以體現(xiàn)分時勵磁和發(fā)電的優(yōu)勢。在風(fēng)力充足時，一方面，SRG從蓄電池獲得勵磁，另一方面，又給負(fù)載供電，同時給蓄電池充電，將剩余的電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存起來。當(dāng)風(fēng)力不足時，蓄電池的儲能將釋放出來，供負(fù)載使用。(6) SRG各相在物理和電磁上相互獨(dú)立，即使缺相的情況下，仍可維持工作，具有很強(qiáng)的容錯能力。其功率變換器的開關(guān)器件與繞組相串連，不存在交流變頻器中常出現(xiàn)的擊穿事故故障，因而更加可靠。綜上所述，其特點(diǎn)決定了SRG在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的確有很大的發(fā)展

27、潛力。2.1.2 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的具體構(gòu)成開關(guān)磁阻電機(jī)通常和控制器一起工作，開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)主要由SRG、功率變換器、控制器、檢測電路四個部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制器是整個系統(tǒng)的核心，它能夠綜合處理電壓指令、電壓傳感器、電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，從而控制功率變換器主開關(guān)器件的工作情況，控制SRG發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。位置傳感器可以捕獲位置信號，它可以分為兩大類：直接位置檢測與間接位置檢測，前者指磁敏式、光電式等含機(jī)械結(jié)構(gòu)的檢測方案；后者是指所謂的無位置傳感器的檢測方法，本文中所用到的傳感器是用于電壓電流進(jìn)行閉環(huán)控制，因此采用霍爾傳感器。2.2

28、SRG電機(jī)電動和發(fā)電原理SRG可以在四象限范圍內(nèi)靈活工作，可以實現(xiàn)電動、制動、發(fā)電運(yùn)行。下面以6/4極三相SRG為例，詳細(xì)講解SRG的工作原理。圖2-2表示該電機(jī)的橫切面和一相電路的原理示意圖，S1、S2是功率開關(guān)，D1、D2是續(xù)流二極管Us是直流電源。根據(jù)磁阻最小原理，當(dāng)子磁極在定子磁極中心線位置時，相繞組電感最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子極間中心線對準(zhǔn)定子磁極中心線時，相繞組電感最小。 圖2-2 6/4相開關(guān)磁阻電機(jī)剖面圖當(dāng)定子A相磁極與轉(zhuǎn)子磁極不重合時，開關(guān)S1、S2合上，A相繞組通電，從而在電動機(jī)內(nèi)部就會建立一個垂直方向的磁場，磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、子軛等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的

29、，此時磁路的磁導(dǎo)小于定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時的磁導(dǎo)，因此，轉(zhuǎn)子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子磁極的軸線oa向定子A相磁極軸線OA趨近。當(dāng)兩個軸線重合時，轉(zhuǎn)子就會達(dá)到平衡位置，即當(dāng)A相定、轉(zhuǎn)子極對極時，切向磁拉力消失，轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動。此時斷開A相開關(guān)S1、S2，閉合B相開關(guān)，即在A相斷電的同時B相通電，建立以B相定子磁極為軸線的磁場，電動機(jī)內(nèi)磁場沿順時針方向轉(zhuǎn)過30，轉(zhuǎn)子在磁場磁拉力的作用下繼續(xù)沿著逆時針方向旋轉(zhuǎn)。依此類推，定子繞組A-B-C三相輪流通電一次，轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動了一個轉(zhuǎn)子極距，連續(xù)不斷地按ABCA的順序分別給定子各相繞組通電，電動機(jī)內(nèi)磁場軸

30、線沿ABCA的方向不斷移動，轉(zhuǎn)子沿ACBA的方向逆時針旋轉(zhuǎn)。如果按ACBA的順序給定子各相繞組輪流通電，則磁場沿著ACBA的方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子則沿著與之相反的ABCA方向順時針旋轉(zhuǎn)。與之相反，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，此時若原動機(jī)拖動SRG使轉(zhuǎn)子沿ACBA的方向逆時針旋轉(zhuǎn)，如圖2-2所示。當(dāng)定子A相磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時，開關(guān)S1、S2閉合，A相繞組通電，磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛等處閉合。同電動運(yùn)行時分析相似，轉(zhuǎn)子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用，產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子向順時針方向轉(zhuǎn)動的負(fù)轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)到A相繞組定子極和轉(zhuǎn)子槽中心重疊前關(guān)斷S1、S2，繞組通過二極管續(xù)流，機(jī)

31、械能轉(zhuǎn)化為電能回饋電源。如此依ABCA的順序給各相繞組通電，電機(jī)便工作在發(fā)電狀態(tài)。特別說明：開關(guān)磁阻的定子和轉(zhuǎn)子都是凸出形式，轉(zhuǎn)子與定子的相對位置改變了，那么他們之間的磁場也會改變，這就導(dǎo)致定子繞組的相電感不停的變化，在轉(zhuǎn)子與定子磁極軸線重合時，此時電感最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子磁極中心線重合，此時電感最小。2.3 SRG發(fā)電模式 如圖2.3和2.4所示圖2.3 自勵模式主電路圖2.4 他勵模式主電路SRG主要有兩種工作模式，即自勵模式和他勵模式。自勵模式，就是在電壓建立的開始時刻，由外電源提供勵磁，當(dāng)電壓達(dá)到穩(wěn)定值后，關(guān)閉外部電源，再由SRG電機(jī)本身發(fā)出的電壓提供勵磁。在這種模式中，電壓建立

32、以后不再需要外電源，系統(tǒng)體積較小，效率比較高。在他勵模式下，勵磁回路與發(fā)電回路是彼此獨(dú)立的，它的線路也比較復(fù)雜，但由于在SRG運(yùn)行過程中始終由外部電源提供勵磁，勵磁電壓與輸出電壓沒有關(guān)系，兩者可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，因此控制起來會比較方便。自勵模式中，以A相為例，當(dāng)主開關(guān)、導(dǎo)通時，電容C對A相繞組進(jìn)行勵磁，同時給負(fù)載供電，當(dāng)主開關(guān)、關(guān)斷時，A相電流通過、續(xù)流，繞組內(nèi)電流方向保持不變，但母線電流反向，一邊給電容C充電，一邊給負(fù)載供電。他勵模式中，為勵磁電源，電容C不僅儲能，而且還能穩(wěn)壓。與自勵模式不同是：在他勵模式下勵磁回路與發(fā)電回路彼此獨(dú)立，因此其數(shù)學(xué)模型和發(fā)電機(jī)特性也與自勵模式不相同。以A相為例，當(dāng)主

33、開關(guān)、導(dǎo)通時，電源q對A相繞組勵磁；當(dāng)主開關(guān)、關(guān)斷時，A相電流通過、續(xù)流，同時給電容C充電，并向負(fù)載供電。2.4 開通關(guān)斷角的調(diào)節(jié)作用開通角和在SRG里面是最為重要的控制參數(shù)之一，因此合理的選擇開通角和關(guān)斷角對系統(tǒng)的性能將有非常重要的影響，總結(jié)前面的分析，開通關(guān)斷角的調(diào)節(jié)作用如下：(1) 電動運(yùn)行時，開通角對控制電流的作用是很明顯的。若提前導(dǎo)通，則電流峰值和有效值增大。因為開通角小，電流建立就比較快，上升時間也長，電流就比較大。所以，調(diào)節(jié)開通角就可以間接調(diào)節(jié)電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩。主開關(guān)關(guān)斷角一般不影響峰值電流，但對相電流有效值有影響。關(guān)斷角較大時，供電時間長，電流有效值大。但關(guān)斷角的選取也間接地

34、影響著電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，關(guān)斷角過大時，會產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)性能。所以合適的選擇開通角對電機(jī)的輸出控制來說是很重要的。(2) 發(fā)電運(yùn)行時，開通角和關(guān)斷角都會影響相電流峰值和有效值的大小，發(fā)電工況需要同時調(diào)整開通角和關(guān)斷角的關(guān)系，才能達(dá)到比較滿意的控制效果，在不同的情況下，SRG發(fā)電系統(tǒng)就有相應(yīng)的不同的開關(guān)角組合。2.5功率變換器 功率變換器同風(fēng)力發(fā)電其他器件一樣，也是實現(xiàn)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)不能缺少的部分?？刂破魍ㄟ^功率變換主電路調(diào)節(jié)開關(guān)磁阻電機(jī)的輸出，因此，功率變換主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著不可替代的作用。開關(guān)磁阻電機(jī)中常用的？有不對稱半橋型、雙繞組型、電容分壓型、公共開關(guān)型、電容轉(zhuǎn)儲型等

35、等，選擇功率變換器的時候要注意根據(jù)不同的需求，選擇相應(yīng)的變換器?？紤]到實際情況，在本系統(tǒng)中，選擇的是三相不對稱半橋型電路做主電路，如圖2-5所示。 圖2.5 功率變換器結(jié)構(gòu)三相不對稱半橋型電路每相有兩個主開關(guān)，兩個續(xù)流二極管，這里以A相為例具體說明功率變換器的工作方式。當(dāng)和同時開通時，電壓源E或者電容C向電機(jī)繞組A供電，從而提供勵磁電流；而當(dāng)他們同時關(guān)斷時，相電流方向不會改變，經(jīng)過續(xù)流，這一過程就是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的過程，在這個過程里面，電路電容得到充電，而且負(fù)載有電壓，實際上就是一個發(fā)電過程。第三章 SRG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制為了更好地研究SRG風(fēng)能最大捕獲性能，在上節(jié)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計控制系

36、統(tǒng)如圖3-1所示。SRG的參考輸出功率根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速確定，SRG的相電流通過功率閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)在整個調(diào)速范圍內(nèi)均能獲得良好的動態(tài)響應(yīng)。功率調(diào)節(jié)控制的輸出是相電流參考值，是各相的導(dǎo)通邏輯信號，SRG發(fā)出的電能通過電阻負(fù)載消耗。圖3.1 SRG風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)3.1 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制模式前面已經(jīng)提到，開的關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是沒有繞組的，因此他獨(dú)特之處也有他的一些列優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的勵磁是定子相繞組提供的，而且不同時間，分為勵磁階段和發(fā)電階段，發(fā)電階段是不能控制的，因此我們通常通過調(diào)節(jié)相電流的大小，從而來調(diào)節(jié)勵磁，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電輸出的目的，可控參數(shù)主

37、要有開關(guān)角、關(guān)段角、勵磁電壓、相電流上限等等，主要的控制方式分為以下幾種：角度位置控制、電流斬波控制、PWM控制。3.1.1 角度位置控制角度位置控制也稱為單脈沖控制，這種控制方式很簡單，相電流不可控其對開通角和關(guān)斷角的變化很敏感，調(diào)節(jié)起來有點(diǎn)麻煩，角度位置控制就是通過調(diào)節(jié)開通角on和管斷角off來調(diào)節(jié)相電流的，他們都直接影響著相電流的波形。當(dāng)延長開關(guān)管的導(dǎo)通時間，相應(yīng)的勵磁電流也得到加強(qiáng)，因此輸出功率增加。反之，則功率減小。角度位置控制的電機(jī)比較適合在短時間內(nèi)快速達(dá)到期望電流的情形，比如高機(jī)械轉(zhuǎn)速。在實際的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)中，各相勵磁情況不相同，各個相鄰相還要有互感電動勢的影響，因此各相電流不

38、對稱，所以角度位置控制必須分別對各個相的開通角和關(guān)斷角進(jìn)行控制。3.1.2 電流斬波控制電流斬波控制是指用相電流與電流斬波限比較，開關(guān)管導(dǎo)通時，初始電流i是小于斬波限的，當(dāng)相電流逐漸增大，并超越斬波限，那么就控制開關(guān)管關(guān)斷一段時間，在前一直保持大于斬波限，那么則一直關(guān)斷開關(guān)管。斬波限電流是可以調(diào)節(jié)的，增大斬波限上限，則相當(dāng)于增加勵磁時間，從而控制發(fā)電機(jī)的功率輸出。電流斬波控制是比較常用的控制方式，因為他具有較小的開關(guān)損耗，但這種控制方式也有弱點(diǎn)，即電流的斬波頻率不穩(wěn)定，可以隨電流的誤差變化，產(chǎn)生電磁噪音。在本系統(tǒng)中，斬波控制方式發(fā)揮了良好的控制作用。3.1.3 PWM控制與前兩種控制方式不同，

39、PWM控制是指在主開關(guān)的控制信號中加入PWM信號，調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)勵磁電流。當(dāng)占空比比較大的時候，勵磁區(qū)間也越大，勵磁電流也越大，產(chǎn)生的電能也越大，即輸出功率變大。PWM控制的可控性比較好，我們可以控制斬波頻率和占空比，頻率一般來講都是固定，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)念l率可以控制相電流的變化頻率。占空比與相電流最大值之間有突出的線性關(guān)系，再加入PI或者PID調(diào)節(jié)器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，就能獲得很好的動態(tài)性，當(dāng)然，代價是開關(guān)管的開關(guān)損耗比較多。3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能捕獲原理？如圖3.2所示。圖3.2 風(fēng)力機(jī)的功率控制 由風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械力矩為： （3-1）其中是空氣密度，是力矩系數(shù)，是葉尖速比，是槳葉節(jié)距角，

40、是槳葉半徑，是風(fēng)速。定義： 其中，為槳葉的角速度，則風(fēng)輪機(jī)所捕獲的所有風(fēng)能為：其中為功率因數(shù)。 從圖3-2可以推知，當(dāng)風(fēng)速固定時，風(fēng)力機(jī)只有在某一固定轉(zhuǎn)速下才能輸出最大功率，風(fēng)速改變了，轉(zhuǎn)速也會跟著改變。交點(diǎn)處即為最佳功率曲線，因此若要保持最佳葉尖速比，那么必須在風(fēng)速變化時及時調(diào)整風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.3 SRG風(fēng)力發(fā)電控制器設(shè)計3.3.1 中、低風(fēng)速時SRG的控制在中低風(fēng)速時，控制變速風(fēng)力機(jī)工作于最大功率系數(shù)處。其中代表風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)時，每條風(fēng)速曲線都存在一個最大功率點(diǎn)，該功率與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比。為了使系統(tǒng)捕獲最大風(fēng)能和最佳效率，可以調(diào)節(jié)下式：即為SRG發(fā)電功率的參

41、考值，這里，我們可以忽略損耗，近似認(rèn)為風(fēng)力機(jī)獲得的能量全部用來發(fā)電，優(yōu)化功率曲線如圖中的OP段。3.3.2 高風(fēng)速時SRG控制系統(tǒng)當(dāng)風(fēng)速增加時，捕獲的風(fēng)能也隨之增大，但也不是越大越好，通常來講，風(fēng)力機(jī)獲得的風(fēng)能不能超過控制器和SRG系統(tǒng)所能承受的最大功率。為避免SRG超負(fù)荷載運(yùn)行，可以利用漿距控制方法來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)，我們可以通過調(diào)節(jié)齒極角使功率系數(shù)減小，從而減弱系統(tǒng)所獲得的風(fēng)能。但是漿距控制率有限，在高風(fēng)速條件下，還可以通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制風(fēng)力機(jī)葉尖速比進(jìn)而調(diào)節(jié)功率系數(shù)。當(dāng)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)速度到達(dá)漿距控制速度時，就開始進(jìn)行漿距控制，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸上升到最大值，使運(yùn)行點(diǎn)從P移動到S。發(fā)電機(jī)運(yùn)行于最大轉(zhuǎn)矩

42、狀態(tài)，直到風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速低于。實際運(yùn)行中，S和P點(diǎn)之間需要有一定的差值，以保證兩種運(yùn)行模式下不會發(fā)生振蕩。上圖中，為系統(tǒng)最大運(yùn)行速度。的大小取決于漿距控制系統(tǒng)的控制能力。3.4 風(fēng)能最大捕獲方案在發(fā)電系統(tǒng)中，首先發(fā)揮作用的就是風(fēng)機(jī)的葉輪，風(fēng)機(jī)捕捉到風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能再通過電磁轉(zhuǎn)換作用轉(zhuǎn)換成電能，所以風(fēng)機(jī)得到的風(fēng)能直接影響能夠發(fā)出的電能。風(fēng)力機(jī)這一部分不是本文的研究重點(diǎn)，但是如果要得到最高的發(fā)電效率，則必須正確完整的了解風(fēng)力機(jī)的基本的功率特性。在實際系統(tǒng)的設(shè)計中，要滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定條件，并使SRG盡量工作在風(fēng)力機(jī)的最佳功率負(fù)載特性曲線上，最高效率的利用風(fēng)能。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)就需要對SRG的綜合控制。控制方法很多種，但基本上都很復(fù)雜，而SRG卻不相比于傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)，它的諸多優(yōu)點(diǎn)，比如可控參數(shù)較多、控制非常靈活等等為這些控制方案的實施，提供了有利條件。3.4.1 風(fēng)速跟蹤方案如圖3.3，該控制方案原理如下：測風(fēng)裝置觀測到實際風(fēng)速，按照風(fēng)力機(jī)最佳功率負(fù)載曲線的功率，與發(fā)電機(jī)的輸出功率的觀測值相比較得到誤差量，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器給出SRG