开关磁阻发电机控制系统设计

发布时间：2016-05-15 06:41

第 1 章  绪   论

1.1  课题背景及意义
日益发展的经济和不断提高的物质生活水平使得人类对电力的需求越来越大，而随着环保压力和能源危机的加大，对新能源的开发越来越受到全球的关注。风能作为一种重要的清洁能源，虽然产业发展不够成熟，但资源含量丰富，因此巨大潜力可待开发。风力发电因其环境要求低、安全可靠、建设周期短、无污染、发电方式多样等优点，逐渐成为世界各国的研究重点。近年来，我国风电行业发展迅速，已成为我国三大主力电源之一，风电在能源市场扮演着越来越重要的角色[1]。 现代风力发电技术在这几十年中发展迅猛，发电机组从传统的定桨距恒速运行到基于变速恒频技术，不同类型的风机和发电机以及通过相应的控制技术基本实现了向电网供应电力的目标[2]。目前市场的主流风力发电机为永磁同步电机和无刷双馈电机。无刷双馈电机结构复杂，控制麻烦，且风机和电机之间需要齿轮箱，齿轮箱不仅增加了成本，也易故障出错，降低了发电效率。永磁同步电机材料结构庞大，永磁材料又昂贵和短缺，且永磁材料有退磁的缺陷，从而影响发电效率[3]。因此，进一步开发和利用新型风力发电机对风电事业的发展有巨大的促进作用。 开关磁阻发电机（Switched Reluctance Generator，简称 SRG）是一个包含了电机技术、控制技术、电力电子技术、及检测技术等多门学科的机电一体化系统。它具有以下几个特点：结构简单，成本低，维护简单；各相相互独立，容错率高；变速范围宽，能适应不同的风速，运行效率高，对工作环境要求极低，实现直驱风力发电；控制方式灵活，输出电压为直流电，易于储能和并网[4,5]。因此特别适合应用于风力发电系统中。 由于开关磁阻发电机本体定子、转子双凸极的结构，其具有很强的非线性，难以建模；而其在工作时，电流难以控制，只能通过开关角控制其励磁和续流的状态，因此各参量之间又带有很强的耦合性，因此其有相关亟待解决的问题需要进行研究。本文以 SRG 控制系统为研究对象，以提高母线输出电压的稳定性为研究目标，对此进行较为深入的研究。
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 1.2  开关磁阻发电机研究现状
目前，国内外的学者对开关磁阻电机的研究开始侧重于其在发电领域的应用，特别是当用作风力发电机时。开关磁阻电机在学术界的被认可始于论文“Variable speed switched reluctance motors”，其详细地说明了开关磁阻电机的结构、工作方式、运行原理和设计方法，为之后开关磁阻电机的研究和发展奠定了基础。而近些年来来自美国的 Torrey 团队对开关磁阻电机做了深入的研究，其成功地将开关磁阻电机应用于风力发电系统中[7]，并进一步在 2000 年针对高速运行的开关磁阻电机提出了最优控制算法，随后在 2006 年发表专利“基于最优励磁参数的高于开关磁阻电机闭环控制技术”，这些典型的工作是促进开关磁阻电机应用到实际中，特别是风电领域的基础[8-10]。下面介绍国外其他学者的研究现状。 2003 年，Dixon 提出了在励磁和退磁间隔中设计间隔运行，以此控制励磁电流导致磁链的饱和从而来提高系统总体的发电效率[11]。2005 年，Kioskeridis 和Mademlis 对通过在开关磁阻电机系统中对电流控制选择合适的导通角来实现系统性能优化的问题进行了相应的研究[12]，后又对实现开关磁阻发电机最大能量转换的优化控制问题进行了研究[13]。2006 年，Ogawa 设计了基于风速追踪的小型开关磁阻发电系统，为 SRG 小型应用提供了思路[14]；2008 年，Chang 和 Liaw 提出了开关磁阻发电机的电压反馈控制，分析了直流母线电压纹波的产生特点[15]；2009年，Echenique 提出了采用神经网络技术以及电流斜坡法对开关磁阻发电机系统进行了无位置传感器的控制研究[16]；2011 年，Fernando 提出了在不同风速，设定不同的开关角，通过仿真分析和多次试验，确定实际运行的最佳开关角[17]；Zan 提出了在不能得到电机准确的数学模型的条件下，设计了一种基于单神经网路的自适应 PID 控制器[18]；Ming 介绍了开关磁阻电机在高速航空发电机的应用，其不仅可以作为启动机，还可以作为发电机[19]；Chang 设计了一个基于开关磁阻发电机的直流微电网系统，为开关磁阻发电机在微电网中的应用提供一定的思路[20]。 
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第 2 章  开关磁阻发电机运行分析

分析 SRG 的基本运行理论是对其进行控制优化的基础。本章首先介绍开关磁阻电机的结构和分类，阐述其运行的基本原理，确定其线性数学模型，并着重分析了运行过程中机电能量之间的转化；进一步考察 SRG 理想线性电感模型及其与位置角的关系，分析运行过程中相电流和磁链的变化情况，为接下来的控制研究奠定了理论基础。

2.1  开关磁阻发电机的结构和运行原理 
SRG 由双凸极结构组成，其定子和转子均有普通硅钢片叠压而成。开关磁阻发电机仅定子上有线圈绕组，经过串联或并联等方式组成一定的相数；转子上没有绕组线圈也没有永磁体，所以其结构简单，，成本低，易于维护，运行时发热也较低。图 2-1 为开关磁阻电机的典型结构示意图。 从结构上分析，开关磁阻电机的定转子极数一般不等，这样可以防止定转子凸极完全重合时，导致无法产生启动转矩；另一个方面，不同的定子和转子极数可以不同相数的电机结构，有单相、两相、三相、四相及多相等类型。但是，一般低于三相的 SR 如果作为电动机来使用时，自启动能力较低，转矩波动也很大。而三四相的开关磁阻电机是各方面表现比较均衡和良好的，具备正反向自启动能力，综合性价比较高。多相结构的开关磁阻电机一般仅限于作为电动机，因为此时电磁转矩会更加的平滑，但是相应各方面的成本则大大加大，控制也更为复杂，而且开关损耗也会相应增大。 考虑到电机和控制器的成本和相应的损耗问题，当开关磁阻用于发电机时，一般使用较多的为三相或者四相的结构。同一种相数也有几种搭配，如三相 12/8 结构、四相 8/6 结构等，可根据需要选择。
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2.2  开关磁阻发电机数学建模
下面主要分析开关磁阻电机的基本关系方程以及相应的机电能量的转换过程，电磁方程是分析电路运行的理论工具，机电转换是进行控制优化的思路来源[38]。SRG 的能量转换是由耦合磁场作为中介，将机械系统和电气系统联系起来从而完成机电能量的转换。图 2-3 表示了磁链和电流在一个运行周期的变化示意图，代表了 SRG 能量转化的过程，原点表示导通角打开，电机开始励磁，顶点表示关断角打开，励磁结束，因此其闭合区域面积的大小代表了 SRG 机电能量转换的大小。另外，曲线方向的不同表征着电机运行在电动模式还是发电模式。通过以上的分析可知，可知机电能量转换的具体过程为：通过原动机进行外部机械功率的输入，转子转动从而其位置角发生变化，磁链也随之改变，磁场能量改变，进而导致运动电势产生并使得部分磁场储能转换为电能，通过耦合磁场，运动电势作用于电系统，电磁转矩作用于机械系统，最终完成机电能量的转换。
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第 3 章  开关磁阻发电机控制系统及仿真研究 ...........16 
3.1  开关磁阻发电机控制系统 .......... 16 
3.1.1  控制系统组成 ..... 16 
3.1.2  基本控制方式 ..... 17 
3.2 SRG 非线性建模 .......... 19 
3.2.1  绕组非线性模型的建立 ..... 19 
3.2.2  控制仿真系统的组成 ......... 21 
3.3  非线性模型仿真分析 .......... 24
3.4  本章小结 ...... 27 
第 4 章  基于输出电压优化的角度控制策略 .......28 
4.1  基于开关角的输出电压控制 ...... 28 
4.1.1  开关角的优化 ..... 28 
4.1.2  仿真和结果分析 ......... 31 
4.2  空转模式的设定与分析 ...... 33 
4.2.1  对称空转角度的设定 ......... 33 
4.2.2  仿真和结果分析 ......... 36 
4.3  空转角的优化 ...... 39 
4.3.1  空转角的优化策略 ..... 39 
4.3.2  参数整定和仿真分析 ......... 40 
4.4  本章小结 ...... 44 
第 5 章  开关磁阻发电机控制系统软硬件实现 ...........45 
5.1  控制系统硬件设计 ...... 45
5.2  控制程序设计 ...... 48
5.3  实验结果分析 ...... 50 
5.4  本章小结 ...... 52 

第 5 章  开关磁阻发电机控制系统软硬件实现

开关磁阻发电机控制系统平台主要包括：原动机、开关磁阻发电机本体、功率变换器、角度位置光电传感器、电压霍尔和电流霍尔传感器、相应的信号调理电路以及 DSP 硬件控制系统。整体框图如图 5-1 所示。

5.1  控制系统硬件设计
功率变换器是 SRM 驱动系统的关键组成部分，负责接收数字控制器的 PWM驱动信号，控制开关管的导通或关断保证绕组通路的通断。针对本次 SRG 控制系统采用的一个 5.5 kW 的三相 12/8 的 SRG 电机，功率变换器采用的是三相不对称半桥型电路。选用的 SRG 电机的额定电压为 410 V，额定电流为 13.4 A。通常功率开关管的电压为 3 倍大小峰值电压，则开关管的额定电压应在 1200 V 以上；电机的额定电流决定了系统的电流大小，所用的开关管通常取 2-3 倍的裕量，则开关管的额定电流应在 27-40 A 之间。综合以上因素以及实验室的实际情况，采用实验室具有的 INFINEON 的 IGBT 即绝缘栅双极型晶体管作为主开关器件。 IGBT 属于电压型功率开关器件，其驱动功率小且控制方便，能够较强的在驱动中避免直通短路。IGBT 需要驱动为其提供工作所需的功率，同时可以有效地保护器件。因此，选择 CONCEPT 公司的 SCALE 型驱动模块。SCALE 驱动模块使用了专用集成电路（ASIC）设计方法，自带光耦电气隔离，具有很高的集成性。其驱动电压需要 15 V，开关频率可以达到 100 kHz，并集成了 IGBT 过流保护功能。该驱动板由两个功能模块构成，LDI（逻辑与驱动接口）模块和IGD（智能栅极驱动）模块。驱动板接收控制器发出的PWM信号，LDI将信号经过脉冲变压器隔离出两路 IGBT 驱动信号，驱动外接 IGBT；每路IGD收到LDI输出的编码信号，并进行解码还原得到初始PWM信号，在功率放大后提供 IGBT 所需的驱动电流。 
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结   论

本文以开关磁阻发电机控制系统为研究对象，以基于角度控制提高系统输出电压的稳定性，完成控制系统的设计为研究目标，从 SRG 的机电能量转换分析、非线性建模、角度控制、系统仿真和实验平台验证等几个方面对开关磁阻发电机控制系统设计进行了研究。本文的主要结论具体如下： 
（1）根据实验室样机的参数利用有限元分析并通过三次样条插值得到了磁链、电流和角度的二维表，建立了 SRG 控制系统的非线性仿真模型，仿真分析了 SRG控制系统的运行特性以及基于斩波控制的输出电压的稳定性。 
（2）为实现输出电压的稳定，本文首先设计了基于开关角的控制策略，确立开通基于参考电压基准值、关断角基于母线电流波动因数动态调节的控制算法，使得输出电压在一定的误差范围内稳定在参考电压附近。 
（3）提出了空转运行模式，仿真结果表明其减小了母线电流的有效值，抑制了母线电流的波动；进一步设计了基于开关角，转速和母线电压等变量函数关系的自适应解析优化，通过仿真数据以及 PID 参数整定的方法分别对解析式中的导通角，输出电压误差以及转速和给定电压三部分确定了解析参数。仿真结果表明，空转运行模式及空转角解析优化的控制策略使得输出电压的稳定性进一步提高，达到了与基于相电流控制的输出电压相同的稳定性。 
（4）针对实验室样机，完成了 SRG 控制系统的实验平台，实验验证了基于角度的输出电压稳定性优化控制策略的可靠性。
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参考文献(略)  

本文编号：45220