用于小型風力發電的SRG建模與控制

彭寒梅，易靈芝，鄧文浪

(湘潭大學，湖南湘潭411105)

摘要：介紹開關磁阻風力發電系統組成；分析SRG的發電原理和非線性模型；針對小型風力發電系統運行速度低的特點，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，仿真結果驗證了StlG建模的正確性，驗證了SRG用于小型變速恒頻風力發電系統的有效性。

    關鍵詞：SRG；變速恒頻；電流斬波；電壓反饋控制

    中圖分類號：TM315  文獻標識碼：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重。因此，有許多的研究涉及利用自然能源發電，以有效應付這些問題。小型風力發電系統是其中一個最有用的發電系統[1]。

    變速恒頻發電是20世紀末發展起來的一種新型發電方式，發電效率高，是風力發電技術發展的必然趨勢。目前，用于風力發電系統有永磁同步發電機和異步發電機。刃(磁同步發電機發電效率高，但是它的材料成本高；異步發電機維護要求低，但是發電效率低[2-3]。開關磁阻發電機具有結構簡單，可控參數多、容錯能力強等特點，能夠滿足變速恒頻發電的要求[4-5]。特別是SRG低速性能好，非常適合于直接驅動、變速運行的風力發電系統，一般用于低速的小型風力發電系統中[6]，在風力發電領域有較大的發展潛力和研究價值。目前，國內在這方面的研究處在起步階段。本文針對小型風力發電系統運行速度低的特點[7]，對SRG采用電流斬波控制[8]，用H調節器調節SRG的輸出電壓，從而達到變速恒頻發電；給出了詳細的建模和仿真結果分析。

1開關磁阻風力發電系統

1．1開關磁阻風力發電系統組成簡介

  開關磁阻風力發電系統如圖1所示，是以SRG為機電能量轉換核心的發電系統，主要包括    圖2--風力機、SIqG及其功率變換器、控制圖開關磁阻風力發電系統構器、負載和輔助電源等部分，如需并網則要加逆變器。風力機轉速隨風速變化，致使SRG轉速變化，通過對SRG的參數控制，能實現輸出電壓恒定，滿足變速恒頻發電。與其它變速恒頻發電系統相比，開關磁阻風力發電系統具有結構簡單、電流檢測環節少、主功率器件少、成本低等優點。

1 2 SRG發電原理及控制

    SRG把機械能轉換成電能，是利用使相電流與轉子位置合適地進行同步來實現的。繪定子某相繞組在該相凸極中心與轉子凸極中心重合附近加勵磁(如圖2中的目。。位置)，則轉子上的力矩與轉子旋轉的方向相反，這就是SRG發電運行狀態，分為勵磁和發電續流兩個階段(如圖2中的區域I和區域1I)。圖2為SRG發電運行時，定子線性相電感、相電流隨轉子位置角θ變化的曲線。圖中，坐標原點(θ=O)對應定子凸極中心與轉子凹槽中心重合位

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電模式，SRG自勵發電模式主電路如圖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，當電壓達到控制所需的穩定值后，切斷外電源，此后SRG本身發出的電壓uc提供勵磁。在自勵模式中，由于建壓后不再需要外電源，系統體積較小，效率高。他勵模式下，勵磁回路與發電回路彼此獨立，線路比較復雜，但由于在sRG發電運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，兩者可以獨立調節，因此控制比較方便。在實際應用中，需考慮sRG具體運行條件，選用不同的勵磁模式。本文采用sRc自勵發電模式。

    在白勵模式中，勵磁是通過功率變換器獲得的，當可控開關(s1-s8)導通時，在SRG相繞組中建立勵磁電流。當可控開關關斷后，相繞組能量通過續流二極管(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運行狀態分為勵磁階段和發電續流階段兩個過程。設θon為可控開關開通角，θoff為可控開關關斷角。對于sRG運行來說，其發電續流階段(θ>θof)無法直接控制，只有通過調節勵磁階段(θon<θ<θoff)的相電流來控制發電續流階段。θoff時sRG相電流的大小反映了勵磁的強度，同時反映了存儲磁場能量的大小，是SRG的主控參數。sRG的實際控制變量有：開通角θ