开关磁阻电机在风力发电系统中的应用讲解.docx

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开关磁阻电机在风力发电系统中的应用讲解

课程设计报告

题目:

开关磁阻电机在风力发电系统中的应用

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课程设计任务书

开关磁阻电机在风力发电中的应用

一、设计内容

1、了解风力发电用电机的指标要求；

2、掌握开关磁阻电机的结构特点和运行原理，并与双馈感应电机性能进行比较；

3、建立开关磁阻电机风力发电系统的数学模型；

4、通过仿真，得到开关磁阻电机风力发电系统的动态性能；

二、主要技术指标

1、开关磁阻电机风力发电系统数学模型；

2、开关磁阻电机风力发电系统动态性能；

三、进度要求

2012.09.03—2012.09.05查阅资料；

2012.09.06—2012.09.07对设计内容1、2进行总结；

2012.09.08—2012.09.11开关磁阻电机风力发电系统建模、仿真；

2012.09.12—2012.09.14撰写报告；

学生

指导教师

摘要

介绍了风力发电机的指标要求，开关磁阻电机（SwitchedReluctanceGenerator，简称SRG）的结构特点和运行原理。

并和双馈感应电机进行了简单的比较。

建立了开关磁阻电机风力发电系统的数学模型，并通过仿真得到开关磁阻电机风力发电系统的动态性能。

本文基于Matlab/Simulink软件建立了SRG发电系统仿真模型，SRG发电运行时的实际控制量包括开通角、关断角、励磁电压和励磁电流上限值，因此控制非常灵活。

控制方法主要有电流斩波控制（CCC）、角度位置控制（APC）和脉宽调制调压控制（PWM）三种。

为了能对SRG的控制策略进行优化设计，建立了SRG系统仿真模型，并通过改变参数对系统的特性进行了研究。

关键词：

开关磁阻发电机；风力发电；仿真；数学模型；控制策略

一引言

随着新能源技术的发展，新型大容量电力电子设备及新型风力机叶片的出现，风能作为可再生能源中最重要的组成部分和相对经济的发电方式，由于其清洁无污染、施工周期短、投资灵活、占地少，具有良好的社会效益和经济效益，已受到世界各国政府的高度重视。

我国政府制定了发展新能源产业的国家战略，预计到2020年我国风电装机容量将达到1.5亿kW。

因此，风电设备的自主研发制造已关系到国家的重大利益和能源安全，必须立足我国风电产业的自主创新，前瞻性地开展风力发电领域相关理论和技术的研究。

本文主要介绍开关磁阻电机在风力发电系统中的应用及目前风力发电机技术的现状。

详细说明了开关磁阻发电机的结构及其原理；讨论了开关磁阻发电机的控制驱动部分，并依据实验系统对开关磁阻电机进行了发电机模拟实验，并给出了部分实验结果。

二风力发电机的现状分析

发电机是风力发电机组中将机械能转化成电能的装置，是将原动力与输出电能连接的工具，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率，也影响到整个风电转换系统的性能和结构。

因此，研制和选用适合于风电转换、运行可靠、效率高、控制性能良好的发电机系统是风力发电工作的重要组成部分。

目前在风电市场，永磁同步电机和无刷双馈电机是应用的主流。

而开关磁阻电机主要作为电动机应用。

近年来，随着风力发电的快速发展，开关磁阻风力发电机的研究取得了一定的进展。

三风力发电机的指标要求[1]

风力发电机的性能要从以下几个方面考虑[1]：

启动风速

1.启动风速：

风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速。

2.切入风速：

风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速。

3.切入风速与输出电压的关系。

4.发电机负载电压与发电机转速的关系

额定风速

1.额定风速：

使机组达到规定输出功率的最低风速。

2.相同额定功率时，额定风速越大风轮直径越小，开始调速的风速

3.也越大，有利于控制风力发电机的运转。

4.额定风速的确定要根据风资源的情况来定，额定风速要针对某个具体的风频分布；但这样风力发电机组成本太高。

另一方面，风的分布随机性很大，在同一个地方不同位置都有很大差异；即使同一位置风频分布也会发生变化，因此一般为了适应类似地区的差别，在同一容量的机型中配备几种不同尺寸的风轮,并给出不同的额定风速。

国外一般定在风能频率最大点对应的风速点。

5.建议：

把原有标准中的有关规定与国际接轨。

国外小型风力发电机的额定风速一般定在10-12米/秒的范围内。

关于年发电量计算

年发电量是衡量一个风力发电机的重要参数：

为了比较建议用一个统一的计算方法来计算。

有些国家把年平均风速5m/s条件下，按照瑞利分布的风频分布，依据功率曲线来源于IEC61400-121（海平面处的环境下）计算风力发电机的年发电量。

V——计算段风速

——年平均风速

风轮叶片数与风力发电机的功率

1.一个能满足风力发电机使用年限的风轮的成本占风机总成本的

2.20-30%，增加叶片数必然增大风机的成本。

3.多叶片和三叶片相比：

扭矩系数增大，最大扭矩系数对应的尖速比将减小；风轮效率增大，但增幅很小，效率最大点对应的尖速比减小。

4.风轮功率主要取决于风速和风轮扫略面积和风轮效率。

安全性和可控性

随着小型风力发电机应用范围的扩大，它的安全问题也就越来越突出

了，风力发电机的可控性是安全性的保证。

1.风轮最高转速时的安全运行，在正常风况下，风力发电机组的电气负载突然丧失时，最大可能运行的风轮转速Nmax的承受能力或过速控制能力。

2.停机功能，在正常风况下，风力发电机调向机构处于故障状态时，能够停机的功能。

3.在大于额定风速的情况下，风力发电机的控制能力

大于切出风速后的大风的承受能力

可靠性和耐久性考核

耐久性：

最低要求：

在正常条件下运行六个月；必须发电满2500小时；其中：

在平均电压1.2倍的条件下发电250小时；在风速15m/s（所有等级）条件下运行25小时；在风速18m/s（等级1）条件下运行25小时；

说明:

所有数据点的平均间隔为10分钟。

四开关磁阻电机的结构特点

开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMachine，简称SRM）技术是集微电子技术、电力电子技术、红外光电技术、现代电磁理论设计和制作技术为一体的高新技术，其优点是[3]：

1.电机结构简单、成本低廉、调速范围宽。

SRM为双凸极定转子结构，定子上只有几个集成绕组，转子上无绕组，转子机械弹性好。

2.各相独立工作，系统可靠性高。

SRM可做到磁路上及电路上各相相互独立，当某相发生故障时，通过切除故障相可以保证系统继续运转。

3.功率电路可靠简单。

SRM转矩方向只与各相通电顺序有关，而与绕组电流的方向无关，功率电路可以做到每相一个功率开关。

同时，SRM系统中每个功率元件均与电机绕组相串联，根本上避免了直通短路的现象。

目前在高度发展的电力电子和微机控制技术支持下，SRM已经在许多领域得到了成功应用。

开关磁阻发电机（SwitchedReluctanceGenerator，简称SRG）作为SRM的一种，具有良好的特性，并且在风电场合可以省去齿轮箱、降低风电设备成本、提高风能利用率，所以将SRG应用在风力发电领域具有重要的理论研究意义和实用价值。

五开关磁阻发电机的运行原理

1）运行原理

SRG采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，定、转子铁心均由冲成一定形状齿槽的普通硅钢片叠压而成，并且定、转子极数不同。

在电机的转子上既无绕组也无永磁体，定子上设有集中绕组，径向正对两齿极上的线圈串联成一相绕组。

因此该电机可以设计成多种不同的相数结构，且定、转子数也有多种不同的搭配，如四相8/6极、三相6/4极、三相12/8极等。

图1给出了四相8/6级（左）和三相12/8级（右）的SRG的定，转子截面图。

图1SRG定、转子截面图

SRG的运行遵循磁阻最小原理，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。

当转子凸极和定子凸极中心线对准时，相绕组电感最大，磁阻最小；当转子凹槽和定子凸极中心线对准时，相绕组电感最小，磁阻最大。

转子和励磁定子的相对运动，使相绕组电感值周期性地进行变化，从而产生了电磁转矩和功率输出。

为进一步阐述SRG的工作原理，下面以三相12/8极SRG为例进行说明。

图2是该电机的一相电路的原理示意图，其中T1、T2是电力电子开关，D1、D2是二极管，E是直流电源。

假设SRG在外力的驱动下顺时针转动，在转动到图示位置时，开关T1、T2合上，A相绕组通电，该相通过直流电源E进行励磁。

电机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。

通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁阻大于定、转子磁极轴线重合时的磁阻。

因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩作用，使得转子磁极的轴线OA有向定子A相磁极轴线OA运动的趋势，并受到该方向（即逆时针方向）的力矩作用，与驱动力矩方向相反，同时转子上的机械能将转化为磁能存储在磁场中。

如果此时打开A相开关T1、T2，则A相绕组的电流通过二极管D1、D2进行续流，绕组内的电流方向不变，电源极性与原来相反，此时储存在磁场中的磁能将释放出来，并转化为电能，回馈至电源，从而完成了机械能与电能之间的能量转化过程。

此后如果连续不断地按A—C—B—A的顺序分别给定子各相绕组轮流通电进行励磁，则作用在转子上的机械能将源源不断地转化为电能，实现发电运行。

图2SRG工作原理

如要改变作用在SRG转子上的外力方向，只需改变电机各相的励磁顺序，即沿着A—B—C—A的方向进行通电励磁，即可维持其发电状态。

另外，从图2也可看出，SRG转子的受力方向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于各相绕组通电的次序。

2）SRG等效电路

首先假设：

相与相间不存在电磁耦合；忽略铁心的磁滞和涡流效应；穿过气隙的极间所有磁通沿半径方向分布。

则SRG的单相电压方程为：

（1）

式中：

v——定子相电压；R——相电阻；——相绕组的磁链（相电流i和转子位置角的函数）因此，式

（1）也可以写成如下形式：

（2）

电机的磁链可以用电感和电流的乘积表示，即：

（3）

对式（3）的两端取微分，可得出：

（4）

又

，故式

（2）可进一步写成：

（5）

式中：

————转子角速度。

式（5）中等号右侧一项即为电机的反向电动势Eback，它出现在定、转子磁极相对分离和转速升高的情况下。

在发电模式下，反向电动势有助于电流的增加。

图3给出了电机的单相等效电路，电流Iphase的幅值依赖于Eback。

Vr为相电阻Rph的端电压，Vr为相电感Lph的端电压。

图3SRG单相等效电路（不考虑功率器件）

（a）励磁状态

（b）发电状态

图4典型自励时不对称半桥式电路运行状态

图5SRG运行过程中电流波形

六开关磁阻电机用于风力发电的优势

普通的发电机，如如异步发电机、感应发电机、永磁发电机要输出固定电压，其转速也须固定。

而风速是时刻变化的，所以风轮机的转速必须固定不变，导致网通利用效率低下。

显然，如果使用变速发电机就能提高风能利用效率（即变速恒频发电系统），而开关磁阻电机正满足了这样的要求。

具体而言开关磁阻发电机用于风力发电有如下优势[2]：

1.可以方便的发出电压恒定的直流电，尤其对于它励方式，输出电压直接由励磁电压决定，而与转速无关。

在自励方式下，也可以通过自身的控制器实现电压恒定。

2.开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕阻、无永久磁体，因此成本低廉；不存在铜耗，发电效率高；同时转子的转动惯量小，启动转矩低，动态响应好。

低频时不会出现像变频供电的感应电机在低频时出现的不稳定和振荡问题。

因此即使在网速较低的情况下，通过合理的设计，也可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省去了齿轮箱。

3.开关磁阻发电机具有优良的高速性能，能够在宽广的速度范围内稳定运行，因而可以适应不同网速的要求，高效的利用网通。

4.开关磁阻发电机可控参数多，如开通角，关断角，直流斩波限，励磁电压等，可方便的实现比较复杂的控制策略。

5.开关磁阻发电机具有自励能力，只需要小容量的直流起励电源，就可以自动建立电压。

若与蓄电池构成互补系统，更可以体现分时励磁和发电的优势。

6.开关磁阻发电机各相在物理和电磁上相互独立，即使缺相的情况下，仍可维持工作，具有很强的容错能力。

七双馈感应电机与开关磁阻电机的比较[2]

双馈发电机最早起源于绕线式转子异步发电机，其结构是在绕线式异步发电机的基础上安装一个滑环。

此种结构的发电机是通过对其转差频率的控制，来实现发电机的双馈调速。

由于控制的是电机的转子电流，控制功率仅为定子绕组输入功率的几分之一，因此所需功率变换器的功率较小。

目前有有刷和无刷双馈电机两种，有刷双馈电机由于其有刷结构，运行可靠性差，需要经常维护，不适合运行在环境恶劣的风力发电系统中。

无刷双馈电机的出现弥补了这种电机的不足。

由于无刷双馈电机兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，还可以调节功率因数和运行速度，因此比较适合变速恒频的风力发电系统。

双馈系统在变频器中仅流过转差功率，其变频器的容量小。

但由于要求功率双向流过变频器，它必须是四象限双PWM变频器，由两套IGBT变换器构成，价格是同容量单象限变频器的一倍左右。

另外，由于发电机要求，需要齿轮箱和高速传动装置配合，增加成本和降低了传动效率的同时，也增加了系统维护的难度。

并且双馈感应电机输出的是交流电，需要通过逆变器进行交直流变换，降低了转换的效率，增加的系统成本。

与之相比，开关磁阻发电机输出的是直流电，可以降低系统成本。

而且，开关磁阻发电机结构简单，控制性能好，转子上无绕组。

开关磁阻风力发电系统没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了控制系统结构，提高了系统可靠性。

同时，由于发电机相绕组间无电磁耦合，容错能力大大增强。

另外，由于开关磁阻发电机的特殊结构，其热量主要集中在定子外壳，因此具有很好的耐高温特性。

八开关磁阻电机风力发电系统的数学模型[3]

SRG的输出功率与励磁电流、励磁电压、转子位置和电机转速有关，通过对这些参数合理控制，可以使SRG达到很高的发电效率。

但问题在于如何判断产生最优状态的合适参数。

这里基于Matlab/Simulink软件建立了SRG发电系统仿真模型，以分析存在的问题。

SRG仿真模型包含变流器、控制器和发电机（图6）。

这里假设电机相与相之间无电磁的耦合，这样可以单独计算一相的电磁转矩，其他相直接相加即可。

利用电阻和电感串联来模拟SRG（图3）。

在Simulink中，单相SRG依照式

（1）进行建模。

图6的Position模块用来获得转子机械位置，Converter模块采用半桥不对称式结构，IGBT的门极信号由Controller模块给定。

图6单相SRG仿真模型

九仿真结果[3]

设计SRG为三相6/4极结构，相电感的最大值为60mH，最小值为8mH。

在仿真中令触发角和电机转速不变。

图7和图8给出了仿真结果，图7为单个脉冲的情况，单脉冲电流幅值随电感的增加而缓慢升高，在开关关断后，电流逐渐减小直到为零。

仿真中的电流波形与图4给出的分析结果很类似。

图8为斩波模式运行下仿真结果。

由仿真结果可知，在控制中触发角必须发生变化以适应发电机转速的改变。

图7在固定触发角和电机转速时稳态模型单个脉冲结果

图8在固定触发角和电机转速时稳态模型斩波结果

根据仿真结果分析可知，SRG功率的输出与导通角关系很大。

通过检测转子位置，准确控制相电流，可使SRG系统具有更高的效率。

如果延长导通时间，就有充足的时间建立电流。

但是，导通时间过长就会使电磁转矩处于正的区域内，从而降低效率。

为了能最大化地输出功率，触发角必须根据转速发生变化，这样就需要进一步改进仿真模型。

十结语

由于SRG具有结构简单、转速范围宽、可低速运行、控制方式简单、利用变流器可实现变速运行等优点，其在风力发电领域具有很大的应用价值。

通过合适地分配功率变流器的触发角,可以优化发电机的功率输出。

由于SRG在风电领域的应用研究才刚刚起步，要实现工程应用，还需要开展更多的研究工作。

参考文献

[1]刘志璋评价小型风力发电机性能指标的讨论，内蒙古工业大学。

[2]郑家伟,鲍延杰,董萍,林炯康,张祝.开关磁阻电机在风力发电中的应用香港理工大学电力电子研究中心2009,8

[3]张宪平，潘磊，秦明开关磁阻发电机在风力发电系统的应用2011,3

[4]蔡绍,刘闯基于MATLAB的开关磁阻电机的建模与仿真1.重庆科技学院，重庆401331；2.南京航空航天大学，南京210000

[5]赵影，刘娅如基于Matlab／Simulink和Ansoft／Rmxprt的开关磁阻电机系统控制仿真研究（天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津300384

[6]田传帮,赵德安基于μC/OS-Ⅱ和DSP的开关磁阻电机风力发电系统（江苏大学,江苏镇江212013）

[7]严利基于MATLAB/SIMULINK开关磁阻电机非线性建模方法研究与实践南京航空航天大学2005-07-08

[8]X.D.Xue,K.W.E.Cheng,Y.J.Bao,andJ.LeungDesignConsiderationofC-coreSwitchedReluctanceGeneratorsforWindEnergyDepartmentofElectricalEngineering,TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKong