本文關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的控制方案研究

朱學(xué)忠1）　張琦雪2）　劉迪吉1）

（1）南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院　南京，210016）
（2）清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系　北京，100084）

    摘要　主要研究單相8／8結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻發(fā)電機用于中小型離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制方案，在概述開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成、開關(guān)磁阻發(fā)電機的結(jié)構(gòu)及主電路、風(fēng)輪機的功率特性的基礎(chǔ)上，分析比較了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的三種控制方案（風(fēng)速跟蹤控制、轉(zhuǎn)速反饋控制、功率擾動控制），并針對實用價值較大的轉(zhuǎn)速反饋控制方案，研發(fā)出一套單片機控制系統(tǒng)，，并給出了部分實驗結(jié)果。
    關(guān)鍵詞：風(fēng)能；閉環(huán)控制系統(tǒng)；風(fēng)力發(fā)電機；開關(guān)磁阻發(fā)電機

1　開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
　　開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是以開關(guān)磁阻發(fā)電機（Switched reluctance generator，SRG）為機電能量轉(zhuǎn)換核心的。主要由6部分組成，如圖1所示。風(fēng)輪機（1）、開關(guān)磁阻發(fā)電機及變換器（2）、單片機控制器（3）、蓄電池（4）、逆變器和負載（5），另外還包括輔助電源（6）。

　　SRG為雙凸極電機，定子、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子上設(shè)有集中繞組，轉(zhuǎn)子上無繞組。本系統(tǒng)采用單相8／8結(jié)構(gòu)的SRG［1～3］。由此帶來變換器及控制、驅(qū)動的簡潔性。風(fēng)輪機是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件，用來截獲流動空氣所具有的動能，并轉(zhuǎn)換為機械能，所以它不僅決定了整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出，而且直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。
　　圖2為風(fēng)輪機的功率－轉(zhuǎn)速特性曲線，圖中的虛線為風(fēng)輪機輸出功率線［2，4～7］，由圖可知：

　�。�1）在某一固定的轉(zhuǎn)速下，風(fēng)速v越大，風(fēng)提供的輸入功率會越大，由此風(fēng)輪機輸出的機械功率也會越大；
　�。�2）在某一固定的風(fēng)速下，風(fēng)輪機在某一轉(zhuǎn)速下可以輸出最大的功率，n較小或太大時風(fēng)輪機輸出功率都會降低；
　　（3）隨著風(fēng)速v的增加，風(fēng)輪機輸出的最大功率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n也增加。

2　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制方案
　　風(fēng)輪機的功率特性有其自身的特點，為了使風(fēng)能捕獲的效果最佳，就必須使開關(guān)磁阻電機與風(fēng)輪機能夠良好的配合，通過對發(fā)電系統(tǒng)的控制，使風(fēng)輪機工作在最佳功率負載線上。
　　文［5～7，9］中分別提出了模糊控制、梯度法最優(yōu)控制、轉(zhuǎn)速反饋控制、自適應(yīng)控制等方法。本文結(jié)合開關(guān)磁阻電機本身可控參數(shù)多、非線性、缺少明確的數(shù)學(xué)模型的特點，討論三種控制方案，并針對其中的控制方案B，給出單片機控制系統(tǒng)。

2．1　風(fēng)速跟蹤控制方案（以下稱方案A）

    本方案的控制框圖如圖3所示。

　　該控制方案的思路是：根據(jù)測風(fēng)裝置觀測到的風(fēng)速v，按風(fēng)輪機最佳功率負載線的要求給出功率Pg，Pg與發(fā)電機的輸出功率Po的觀測值Po相比較得到誤差量ΔP，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器給出SRG相電流的斬波限ichop，控制參數(shù)ichop結(jié)合SRG相繞組開通角θ1、關(guān)斷角θ2［1］以及當(dāng)前電機的轉(zhuǎn)速n（另外還有蓄電池的端電壓U，其基本不變）決定了發(fā)電機的輸出電流i，也就決定了發(fā)電機的輸出功率Po。需要說明的是，通過風(fēng)輪機最佳功率負載線給出功率給定Pg時要考慮發(fā)電機效率，因此Pg（v）小于同一風(fēng)速下最佳功率負載線上Pm的值。
　　當(dāng)風(fēng)速v一定，Pg為一定值，若Po較小，則Po的觀測值

于是有：

最終達到平衡。

2．2　轉(zhuǎn)速反饋控制方案（以下稱方案B）

    本方案的控制框圖如圖4所示。

　　該控制方案的思路是：當(dāng)風(fēng)帶動風(fēng)輪機轉(zhuǎn)動至發(fā)電機發(fā)電運行的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，根據(jù)轉(zhuǎn)速n，以及風(fēng)輪機的特征參數(shù)（Cpmax，λn）［6］計算出給定功率Pg。Pg與發(fā)電機的輸出功率Po的觀測值Po相比較得到誤差量ΔP，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器給出相電流的斬波限ichop，控制參數(shù)ichop結(jié)合θ1，θ2以及當(dāng)前電機的轉(zhuǎn)速n決定了發(fā)電機的輸出電流i，因此調(diào)節(jié)ichop就可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率Po。輸出功率變化將導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩Tem的變化，從而影響轉(zhuǎn)速。

　　由于系統(tǒng)的機械慣量較大，可以認(rèn)為經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)使得ΔP下降（即發(fā)電機的工作點上升），而轉(zhuǎn)速n還來不及變化

樣風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速將降低，調(diào)節(jié)過程如下：

　　風(fēng)輪機的工作點沿著v＝v2時的功率曲線移動，發(fā)電機的工作點沿著最佳功率曲線移動，最終兩者交匯到穩(wěn)定的工作點C點。實際的調(diào)節(jié)過程比較復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)是上述這兩個過程的綜合。

2．3　功率擾動控制方案（以下稱方案C）

    該控制方案的控制框圖如圖5所示。

　　它是一個離散迭代控制，圖中符號x（k＋1）表示x（k）經(jīng)過一個延時后的值，k表示是第k時刻，采用這種表示是為了表明控制上時序的一致性。這種控制的依據(jù)是風(fēng)輪機在某一固定的風(fēng)速下，Pm（n）｜v＝const為凸函數(shù)。其控制思路是：當(dāng)系統(tǒng)在第k時刻達到穩(wěn)態(tài)（實際控制過程中可能達不到嚴(yán)格意義上的穩(wěn)態(tài)），到了第k＋1時刻，給電流斬波限一個擾動量Δichop（k＋1），這樣在原有電流斬波限

的基礎(chǔ)上得到新的電流斬波限ichop（k＋1），電流斬波限的變化將引起發(fā)電機輸出功率的變化ΔPo（k＋1），ΔPo（k＋1）通過決策機構(gòu)g產(chǎn)生k＋2時刻的電流斬波限的擾動量Δichop（k＋2），如果ΔPo（k＋1）＞0，說明在Δichop（k＋1）的擾動下，發(fā)電機的輸出功率在增加，于是可以在系統(tǒng)第k＋1時刻“穩(wěn)定”后，進一步類似于Δichop（k＋1）給出電流斬波限的擾動量Δichop（k＋1），以繼續(xù)增加發(fā)電機的輸出功率，直到輸出功率不升反降（這是由于風(fēng)輪機提供的機械功率下降）時，比如l＋1時刻有ΔPo（l＋1）＜0，則l＋2時刻給出的電流斬波限的擾動量Δichop（l＋2）要與Δichop（l＋1）的符號相反。
　　每一次調(diào)整風(fēng)輪機的工作點都在變化，如果風(fēng)速一直恒定，那么按照上述的調(diào)整風(fēng)輪機的工作點將沿著功率曲線移動到最大值附近，并且保持一定的波動。

2．4　三種控制方案的比較
　　控制方案A：可以有效的根據(jù)風(fēng)速的變化及時的調(diào)整電流斬波限，從而調(diào)整發(fā)電機的輸出功率，這種控制方案有以下優(yōu)缺點：
　�。�1）控制方法簡潔明了，可以使風(fēng)輪機工作在最佳功率負載線上，從而使整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)－電轉(zhuǎn)換效率較高；
　�。�2）需要知道風(fēng)輪機的功率特性，以便確定最佳功率負載線；
　�。�3）增加了風(fēng)速測量裝置，這樣就增加了成本，系統(tǒng)的可靠性降低；由于風(fēng)速的隨機性和波動性，風(fēng)速的測量一般不能做到十分準(zhǔn)確可靠，所以小功率離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不安裝測風(fēng)裝置。
　　控制方案B：實際上是在控制方案A的基礎(chǔ)之上略做修改，將

的關(guān)系轉(zhuǎn)換成

關(guān)系，本質(zhì)上沒有太大的差別。它的主要特點有：
　�。�1）控制方法同樣簡潔明了，可以使風(fēng)輪機工作在最佳功率負載線附近，從而使整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)－電轉(zhuǎn)換效率較高；
　�。�2）無需知道明確的風(fēng)輪機的功率特性，只需要了解

兩個特征參數(shù)，最佳功率負載線對應(yīng)的Pm－n關(guān)系明確；
　�。�3）無需測量風(fēng)速的裝置，但需要知道風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速，由于開關(guān)磁阻電機有轉(zhuǎn)子位置測量裝置，轉(zhuǎn)速可以解算。
　　控制方案C：與上述兩種控制方案完全不同，這是一種離散迭代控制。它有以下特點：
    （1）不需要測風(fēng)裝置；
　�。�2）無需知道風(fēng)輪機明確的功率特性，但從設(shè)計的可靠性與穩(wěn)定性角度考慮，設(shè)計時最好了解風(fēng)輪機功率特性的大致情況，與前兩種控制方案相比，它對風(fēng)輪機功率特性的了解的要求不必太高；
　�。�3）在這種控制方案控制下，即使風(fēng)速穩(wěn)定，發(fā)電機最終的功率輸出也會有小幅度的波動，這種波動是系統(tǒng)調(diào)節(jié)上的需要；與一般的閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于受風(fēng)速的隨機性與波動性的影響，其輸出不可能也沒有必要要求十分高的精度與穩(wěn)定，所以小幅度波動是允許的；
    （4）系統(tǒng)有自動跟隨與自適應(yīng)的能力。當(dāng)風(fēng)輪機因長期使用而導(dǎo)致其功率特性變化時，該控制方案仍然可以使風(fēng)輪機工作在最佳功率負載線附近，它對風(fēng)輪機的功率特性沒有很強的依賴性；
　�。�5）電流斬波限增量的決策機構(gòu)g在設(shè)計上有一定的難度，電流斬波限的擾動量Δichop（k＋2）的判定需合理，Δichop（k＋2）太大會使得系統(tǒng)最終的功率輸出波動性加大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，甚至系統(tǒng)無法穩(wěn)定，Δichop（k＋2）太小會使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程緩慢；
    （6）離散時間間隔不能取的太小。按系統(tǒng)的控制目標(biāo)，希望在某一風(fēng)速下風(fēng)輪機能夠沿著功率曲線“一步一步”（step by step）的移動到最佳功率負載線附近，所以要求系統(tǒng)在每一調(diào)整的離散的時間點上達到穩(wěn)態(tài)工作點。這樣一來，與上述兩種控制方案相比，該控制方案的調(diào)節(jié)時間較長。
　　綜上所述，三種控制方案有各自的優(yōu)缺點。其中，相比之下，控制方案B的控制方法較成熟，免去了測量風(fēng)速的裝置，使系統(tǒng)的成本降低、可靠性增加，因此適合小功率離網(wǎng)式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；同時，控制參數(shù)的設(shè)計上比控制方案C要更容易，設(shè)計開發(fā)的周期較短，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)較快。綜合考慮這些因素，我們最終選擇了控制方案B，以下單片機控制系統(tǒng)以及系統(tǒng)實驗的論述都是針對控制方案B。

3　單片機控制系統(tǒng)
　　開關(guān)磁阻發(fā)電機的可控參數(shù)多，包括主開關(guān)的開通角θ1、關(guān)斷角θ2、電流斬波限ichop等［10］，因此其控制方法靈活多樣。為了能夠完成靈活的控制任務(wù)，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及開關(guān)磁阻發(fā)電機在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能達到良好的運行狀態(tài)，為此引入MCS80C196單片機作為控制器的核心�？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

     整個硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：
　　（1）單片機最小系統(tǒng)：它是由80C196KC，E－PROM＆RAM以及A／D轉(zhuǎn)換接口構(gòu)成；
　�。�2）狀態(tài)指示顯示：主要指示的內(nèi)容主要有過壓、過流、轉(zhuǎn)速過低、轉(zhuǎn)速過高、正常發(fā)電運行等；
　�。�3）D／A轉(zhuǎn)換模塊：該模塊由8位數(shù)據(jù)的TIL7524D／A轉(zhuǎn)換芯片和外圍的運放構(gòu)成，它的作用是將單片機運算處理的電流斬波限ichop的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，通過比較器和相電流iphase進行比較產(chǎn)生開關(guān)控制信號；
    （4）電源監(jiān)測及硬件看門狗（Watchdog）；
　�。�5）過壓、過流硬件保護模塊：當(dāng)檢測到過壓、過流信號時，立即送出保護信號至邏輯組合模塊，停止主開關(guān)的工作，以此停止電機發(fā)電運行，直到故障排除為止；
　�。�6）邏輯組合模塊：由GAL16V8芯片來完成邏輯組合，將單片機從HSO口發(fā)出的主開通關(guān)斷信號、電流斬波信號以及過壓過流保護信號組合后送出實際的功率管的開通與關(guān)斷信號；
　　（7）其他：包括電機轉(zhuǎn)子位置檢測電路、主開關(guān)管的驅(qū)動電路、母線電流檢測電路、母線電壓檢測電路以及串行通訊接口電路等。
　　圖7是拖動臺模擬試驗結(jié)果。其中：原動機轉(zhuǎn)速n＝1 170 r／min，開關(guān)磁阻發(fā)電機的開通角θ1＝13°、關(guān)斷角θ2＝36°，此時發(fā)電輸出功率為Po＝360 W，與仿真計算結(jié)果基本吻合。圖中Ch1為一個繞組電流（即iphase／4）波形，Ch2為母線電流波形，Ch3為主開關(guān)的驅(qū)動信號波形。

4　結(jié)束語
　　采用單相8／8結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機作為風(fēng)力發(fā)電機，這個想法有新意：使得整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單、電流檢測環(huán)節(jié)少、主功率器件少、成本低，加上有正有負的輸出電流可以改善蓄電池的充放電效果。換言之，單相開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有廣闊的發(fā)展前景。

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  本文關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：118017