开关磁阻电动汽车_开关磁阻风力发电机系统的控制方案研究

发布时间：2016-09-19 12:27

  本文关键词：开关磁阻风力发电系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

开关磁阻风力发电机系统的控制方案研究

朱学忠1）　张琦雪2）　刘迪吉1）

（1）南京航空航天大学自动化学院　南京，210016）
（2）清华大学电机工程与应用电子技术系　北京，100084）

    摘要　主要研究单相8／8结构开关磁阻发电机用于中小型离网式风力发电系统的控制方案，在概述开关磁阻风力发电系统的构成、开关磁阻发电机的结构及主电路、风轮机的功率特性的基础上，分析比较了风力发电系统的三种控制方案（风速跟踪控制、转速反馈控制、功率扰动控制），并针对实用价值较大的转速反馈控制方案，研发出一套单片机控制系统，，并给出了部分实验结果。
    关键词：风能；闭环控制系统；风力发电机；开关磁阻发电机

1　开关磁阻风力发电系统
　　开关磁阻风力发电系统是以开关磁阻发电机（Switched reluctance generator，SRG）为机电能量转换核心的。主要由6部分组成，如图1所示。风轮机（1）、开关磁阻发电机及变换器（2）、单片机控制器（3）、蓄电池（4）、逆变器和负载（5），另外还包括辅助电源（6）。

　　SRG为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上无绕组。本系统采用单相8／8结构的SRG［1～3］。由此带来变换器及控制、驱动的简洁性。风轮机是风力发电系统能量转换的首要部件，用来截获流动空气所具有的动能，并转换为机械能，所以它不仅决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出，而且直接影响机组的安全稳定运行。
　　图2为风轮机的功率－转速特性曲线，图中的虚线为风轮机输出功率线［2，4～7］，由图可知：

　　（1）在某一固定的转速下，风速v越大，风提供的输入功率会越大，由此风轮机输出的机械功率也会越大；
　　（2）在某一固定的风速下，风轮机在某一转速下可以输出最大的功率，n较小或太大时风轮机输出功率都会降低；
　　（3）随着风速v的增加，风轮机输出的最大功率所对应的转速n也增加。

2　风力发电系统的控制方案
　　风轮机的功率特性有其自身的特点，为了使风能捕获的效果最佳，就必须使开关磁阻电机与风轮机能够良好的配合，通过对发电系统的控制，使风轮机工作在最佳功率负载线上。
　　文［5～7，9］中分别提出了模糊控制、梯度法最优控制、转速反馈控制、自适应控制等方法。本文结合开关磁阻电机本身可控参数多、非线性、缺少明确的数学模型的特点，讨论三种控制方案，并针对其中的控制方案B，给出单片机控制系统。

2．1　风速跟踪控制方案（以下称方案A）

    本方案的控制框图如图3所示。

　　该控制方案的思路是：根据测风装置观测到的风速v，按风轮机最佳功率负载线的要求给出功率Pg，Pg与发电机的输出功率Po的观测值Po相比较得到误差量ΔP，经过PI调节器给出SRG相电流的斩波限ichop，控制参数ichop结合SRG相绕组开通角θ1、关断角θ2［1］以及当前电机的转速n（另外还有蓄电池的端电压U，其基本不变）决定了发电机的输出电流i，也就决定了发电机的输出功率Po。需要说明的是，通过风轮机最佳功率负载线给出功率给定Pg时要考虑发电机效率，因此Pg（v）小于同一风速下最佳功率负载线上Pm的值。
　　当风速v一定，Pg为一定值，若Po较小，则Po的观测值

于是有：

最终达到平衡。

2．2　转速反馈控制方案（以下称方案B）

    本方案的控制框图如图4所示。

　　该控制方案的思路是：当风带动风轮机转动至发电机发电运行的转速范围内，根据转速n，以及风轮机的特征参数（Cpmax，λn）［6］计算出给定功率Pg。Pg与发电机的输出功率Po的观测值Po相比较得到误差量ΔP，经过PI调节器给出相电流的斩波限ichop，控制参数ichop结合θ1，θ2以及当前电机的转速n决定了发电机的输出电流i，因此调节ichop就可以调节发电机的输出功率Po。输出功率变化将导致电磁转矩Tem的变化，从而影响转速。

　　由于系统的机械惯量较大，可以认为经过短暂的调节使得ΔP下降（即发电机的工作点上升），而转速n还来不及变化

样风轮机的转速将降低，调节过程如下：

　　风轮机的工作点沿着v＝v2时的功率曲线移动，发电机的工作点沿着最佳功率曲线移动，最终两者交汇到稳定的工作点C点。实际的调节过程比较复杂，应当是上述这两个过程的综合。

2．3　功率扰动控制方案（以下称方案C）

    该控制方案的控制框图如图5所示。

　　它是一个离散迭代控制，图中符号x（k＋1）表示x（k）经过一个延时后的值，k表示是第k时刻，采用这种表示是为了表明控制上时序的一致性。这种控制的依据是风轮机在某一固定的风速下，Pm（n）｜v＝const为凸函数。其控制思路是：当系统在第k时刻达到稳态（实际控制过程中可能达不到严格意义上的稳态），到了第k＋1时刻，给电流斩波限一个扰动量Δichop（k＋1），这样在原有电流斩波限

的基础上得到新的电流斩波限ichop（k＋1），电流斩波限的变化将引起发电机输出功率的变化ΔPo（k＋1），ΔPo（k＋1）通过决策机构g产生k＋2时刻的电流斩波限的扰动量Δichop（k＋2），如果ΔPo（k＋1）＞0，说明在Δichop（k＋1）的扰动下，发电机的输出功率在增加，于是可以在系统第k＋1时刻“稳定”后，进一步类似于Δichop（k＋1）给出电流斩波限的扰动量Δichop（k＋1），以继续增加发电机的输出功率，直到输出功率不升反降（这是由于风轮机提供的机械功率下降）时，比如l＋1时刻有ΔPo（l＋1）＜0，则l＋2时刻给出的电流斩波限的扰动量Δichop（l＋2）要与Δichop（l＋1）的符号相反。
　　每一次调整风轮机的工作点都在变化，如果风速一直恒定，那么按照上述的调整风轮机的工作点将沿着功率曲线移动到最大值附近，并且保持一定的波动。

2．4　三种控制方案的比较
　　控制方案A：可以有效的根据风速的变化及时的调整电流斩波限，从而调整发电机的输出功率，这种控制方案有以下优缺点：
　　（1）控制方法简洁明了，可以使风轮机工作在最佳功率负载线上，从而使整个风力发电系统风－电转换效率较高；
　　（2）需要知道风轮机的功率特性，以便确定最佳功率负载线；
　　（3）增加了风速测量装置，这样就增加了成本，系统的可靠性降低；由于风速的随机性和波动性，风速的测量一般不能做到十分准确可靠，所以小功率离网式风力发电系统不安装测风装置。
　　控制方案B：实际上是在控制方案A的基础之上略做修改，将

的关系转换成

关系，本质上没有太大的差别。它的主要特点有：
　　（1）控制方法同样简洁明了，可以使风轮机工作在最佳功率负载线附近，从而使整个风力发电系统风－电转换效率较高；
　　（2）无需知道明确的风轮机的功率特性，只需要了解

两个特征参数，最佳功率负载线对应的Pm－n关系明确；
　　（3）无需测量风速的装置，但需要知道风轮机的转速，由于开关磁阻电机有转子位置测量装置，转速可以解算。
　　控制方案C：与上述两种控制方案完全不同，这是一种离散迭代控制。它有以下特点：
    （1）不需要测风装置；
　　（2）无需知道风轮机明确的功率特性，但从设计的可靠性与稳定性角度考虑，设计时最好了解风轮机功率特性的大致情况，与前两种控制方案相比，它对风轮机功率特性的了解的要求不必太高；
　　（3）在这种控制方案控制下，即使风速稳定，发电机最终的功率输出也会有小幅度的波动，这种波动是系统调节上的需要；与一般的闭环控制系统不同，风力发电系统由于受风速的随机性与波动性的影响，其输出不可能也没有必要要求十分高的精度与稳定，所以小幅度波动是允许的；
    （4）系统有自动跟随与自适应的能力。当风轮机因长期使用而导致其功率特性变化时，该控制方案仍然可以使风轮机工作在最佳功率负载线附近，它对风轮机的功率特性没有很强的依赖性；
　　（5）电流斩波限增量的决策机构g在设计上有一定的难度，电流斩波限的扰动量Δichop（k＋2）的判定需合理，Δichop（k＋2）太大会使得系统最终的功率输出波动性加大，系统的稳定性降低，甚至系统无法稳定，Δichop（k＋2）太小会使得系统的调节过程缓慢；
    （6）离散时间间隔不能取的太小。按系统的控制目标，希望在某一风速下风轮机能够沿着功率曲线“一步一步”（step by step）的移动到最佳功率负载线附近，所以要求系统在每一调整的离散的时间点上达到稳态工作点。这样一来，与上述两种控制方案相比，该控制方案的调节时间较长。
　　综上所述，三种控制方案有各自的优缺点。其中，相比之下，控制方案B的控制方法较成熟，免去了测量风速的装置，使系统的成本降低、可靠性增加，因此适合小功率离网式的风力发电系统；同时，控制参数的设计上比控制方案C要更容易，设计开发的周期较短，系统的调节较快。综合考虑这些因素，我们最终选择了控制方案B，以下单片机控制系统以及系统实验的论述都是针对控制方案B。

3　单片机控制系统
　　开关磁阻发电机的可控参数多，包括主开关的开通角θ1、关断角θ2、电流斩波限ichop等［10］，因此其控制方法灵活多样。为了能够完成灵活的控制任务，使风力发电系统以及开关磁阻发电机在较宽的转速范围内都能达到良好的运行状态，为此引入MCS80C196单片机作为控制器的核心。控制系统构成如图6所示。

     整个硬件系统主要包括以下几个部分：
　　（1）单片机最小系统：它是由80C196KC，E－PROM＆RAM以及A／D转换接口构成；
　　（2）状态指示显示：主要指示的内容主要有过压、过流、转速过低、转速过高、正常发电运行等；
　　（3）D／A转换模块：该模块由8位数据的TIL7524D／A转换芯片和外围的运放构成，它的作用是将单片机运算处理的电流斩波限ichop的数字量转换成模拟信号输出，通过比较器和相电流iphase进行比较产生开关控制信号；
    （4）电源监测及硬件看门狗（Watchdog）；
　　（5）过压、过流硬件保护模块：当检测到过压、过流信号时，立即送出保护信号至逻辑组合模块，停止主开关的工作，以此停止电机发电运行，直到故障排除为止；
　　（6）逻辑组合模块：由GAL16V8芯片来完成逻辑组合，将单片机从HSO口发出的主开通关断信号、电流斩波信号以及过压过流保护信号组合后送出实际的功率管的开通与关断信号；
　　（7）其他：包括电机转子位置检测电路、主开关管的驱动电路、母线电流检测电路、母线电压检测电路以及串行通讯接口电路等。
　　图7是拖动台模拟试验结果。其中：原动机转速n＝1 170 r／min，开关磁阻发电机的开通角θ1＝13°、关断角θ2＝36°，此时发电输出功率为Po＝360 W，与仿真计算结果基本吻合。图中Ch1为一个绕组电流（即iphase／4）波形，Ch2为母线电流波形，Ch3为主开关的驱动信号波形。

4　结束语
　　采用单相8／8结构的开关磁阻电机作为风力发电机，这个想法有新意：使得整个系统的结构更加简单、电流检测环节少、主功率器件少、成本低，加上有正有负的输出电流可以改善蓄电池的充放电效果。换言之，单相开关磁阻风力发电系统有广阔的发展前景。

参考文献
1　刘迪吉，张焕春，傅丰礼，等编著．开关磁阻调速电动机［M］．北京：机械工业出版社，1994．35～42，101～103
2　张琦雪．开关磁阻风力发电系统研究与实践［D］：［学位论文］．南京：南京航空航天大学，2000
3　El－Khazendar M A，Ahmed M M．Generating windscheme for maximum energy capture and minimum cost［J］．Renewable Energy，1994，5（1～4）：709～711
4　Torrey，David A．Variable－reluctance generators inwind－energy systems［C］．Seattle，WA，IEEE PESC′93，1993．561～567
5　谢　田．带蓄电池的风力发电机组的模糊控制［J］．新能源，1998，20（10）：22～26
6　顾祖文．风力发电系统获得最大输出功率的方法［J］．新能源，1996，18（1）：34～40
7　刘发申．有风轮转速反馈的变速风力发电机［J］．新能源，1998，20（10）：27～34
8　Cardenas R，Ray W F，Asher G M．Switched reluc－tance generators for wind energy application，Atlanta［C］．IEEE PESC′95，1995．559～564
9　Dambrosio L，Fortunato B．One－step－ahead adaptivecontrol of a wind－driven，synchronous generator system［J］．Energy，1999，24：9～20
10　刘　闯，朱学忠，曹志亮，等．6 kW开关磁阻起动／发电系统设计及实现［J］．南京航空航天大学学报，2000，32（3）：245～250

  本文关键词：开关磁阻风力发电系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：118017