第 1 章  緒   論

1.1  課題背景及意義
日益發(fā)展的經(jīng)濟和不斷提高的物質(zhì)生活水平使得人類對電力的需求越來越大，而隨著環(huán)保壓力和能源危機的加大，對新能源的開發(fā)越來越受到全球的關注。風能作為一種重要的清潔能源，雖然產(chǎn)業(yè)發(fā)展不夠成熟，但資源含量豐富，因此巨大潛力可待開發(fā)。風力發(fā)電因其環(huán)境要求低、安全可靠、建設周期短、無污染、發(fā)電方式多樣等優(yōu)點，逐漸成為世界各國的研究重點。近年來，我國風電行業(yè)發(fā)展迅速，已成為我國三大主力電源之一，風電在能源市場扮演著越來越重要的角色[1]。 現(xiàn)代風力發(fā)電技術在這幾十年中發(fā)展迅猛，發(fā)電機組從傳統(tǒng)的定槳距恒速運行到基于變速恒頻技術，不同類型的風機和發(fā)電機以及通過相應的控制技術基本實現(xiàn)了向電網(wǎng)供應電力的目標[2]。目前市場的主流風力發(fā)電機為永磁同步電機和無刷雙饋電機。無刷雙饋電機結構復雜，控制麻煩，且風機和電機之間需要齒輪箱，齒輪箱不僅增加了成本，也易故障出錯，降低了發(fā)電效率。永磁同步電機材料結構龐大，永磁材料又昂貴和短缺，且永磁材料有退磁的缺陷，從而影響發(fā)電效率[3]。因此，進一步開發(fā)和利用新型風力發(fā)電機對風電事業(yè)的發(fā)展有巨大的促進作用。 開關磁阻發(fā)電機（Switched Reluctance Generator，簡稱 SRG）是一個包含了電機技術、控制技術、電力電子技術、及檢測技術等多門學科的機電一體化系統(tǒng)。它具有以下幾個特點：結構簡單，成本低，維護簡單；各相相互獨立，容錯率高；變速范圍寬，能適應不同的風速，運行效率高，對工作環(huán)境要求極低，實現(xiàn)直驅風力發(fā)電；控制方式靈活，輸出電壓為直流電，易于儲能和并網(wǎng)[4,5]。因此特別適合應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中。 由于開關磁阻發(fā)電機本體定子、轉子雙凸極的結構，其具有很強的非線性，難以建模；而其在工作時，電流難以控制，只能通過開關角控制其勵磁和續(xù)流的狀態(tài)，因此各參量之間又帶有很強的耦合性，因此其有相關亟待解決的問題需要進行研究。本文以 SRG 控制系統(tǒng)為研究對象，以提高母線輸出電壓的穩(wěn)定性為研究目標，對此進行較為深入的研究。
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 1.2  開關磁阻發(fā)電機研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)外的學者對開關磁阻電機的研究開始側重于其在發(fā)電領域的應用，特別是當用作風力發(fā)電機時。開關磁阻電機在學術界的被認可始于論文“Variable speed switched reluctance motors”，其詳細地說明了開關磁阻電機的結構、工作方式、運行原理和設計方法，為之后開關磁阻電機的研究和發(fā)展奠定了基礎。而近些年來來自美國的 Torrey 團隊對開關磁阻電機做了深入的研究，其成功地將開關磁阻電機應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中[7]，并進一步在 2000 年針對高速運行的開關磁阻電機提出了最優(yōu)控制算法，隨后在 2006 年發(fā)表專利“基于最優(yōu)勵磁參數(shù)的高于開關磁阻電機閉環(huán)控制技術”，這些典型的工作是促進開關磁阻電機應用到實際中，特別是風電領域的基礎[8-10]。下面介紹國外其他學者的研究現(xiàn)狀。 2003 年，Dixon 提出了在勵磁和退磁間隔中設計間隔運行，以此控制勵磁電流導致磁鏈的飽和從而來提高系統(tǒng)總體的發(fā)電效率[11]。2005 年，Kioskeridis 和Mademlis 對通過在開關磁阻電機系統(tǒng)中對電流控制選擇合適的導通角來實現(xiàn)系統(tǒng)性能優(yōu)化的問題進行了相應的研究[12]，后又對實現(xiàn)開關磁阻發(fā)電機最大能量轉換的優(yōu)化控制問題進行了研究[13]。2006 年，Ogawa 設計了基于風速追蹤的小型開關磁阻發(fā)電系統(tǒng)，為 SRG 小型應用提供了思路[14]；2008 年，Chang 和 Liaw 提出了開關磁阻發(fā)電機的電壓反饋控制，分析了直流母線電壓紋波的產(chǎn)生特點[15]；2009年，Echenique 提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡技術以及電流斜坡法對開關磁阻發(fā)電機系統(tǒng)進行了無位置傳感器的控制研究[16]；2011 年，F(xiàn)ernando 提出了在不同風速，設定不同的開關角，通過仿真分析和多次試驗，確定實際運行的最佳開關角[17]；Zan 提出了在不能得到電機準確的數(shù)學模型的條件下，設計了一種基于單神經(jīng)網(wǎng)路的自適應 PID 控制器[18]；Ming 介紹了開關磁阻電機在高速航空發(fā)電機的應用，其不僅可以作為啟動機，還可以作為發(fā)電機[19]；Chang 設計了一個基于開關磁阻發(fā)電機的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，為開關磁阻發(fā)電機在微電網(wǎng)中的應用提供一定的思路[20]。 
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第 2 章  開關磁阻發(fā)電機運行分析

分析 SRG 的基本運行理論是對其進行控制優(yōu)化的基礎。本章首先介紹開關磁阻電機的結構和分類，闡述其運行的基本原理，確定其線性數(shù)學模型，并著重分析了運行過程中機電能量之間的轉化；進一步考察 SRG 理想線性電感模型及其與位置角的關系，分析運行過程中相電流和磁鏈的變化情況，為接下來的控制研究奠定了理論基礎。

2.1  開關磁阻發(fā)電機的結構和運行原理 
SRG 由雙凸極結構組成，其定子和轉子均有普通硅鋼片疊壓而成。開關磁阻發(fā)電機僅定子上有線圈繞組，經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)等方式組成一定的相數(shù)；轉子上沒有繞組線圈也沒有永磁體，所以其結構簡單，，成本低，易于維護，運行時發(fā)熱也較低。圖 2-1 為開關磁阻電機的典型結構示意圖。 從結構上分析，開關磁阻電機的定轉子極數(shù)一般不等，這樣可以防止定轉子凸極完全重合時，導致無法產(chǎn)生啟動轉矩；另一個方面，不同的定子和轉子極數(shù)可以不同相數(shù)的電機結構，有單相、兩相、三相、四相及多相等類型。但是，一般低于三相的 SR 如果作為電動機來使用時，自啟動能力較低，轉矩波動也很大。而三四相的開關磁阻電機是各方面表現(xiàn)比較均衡和良好的，具備正反向自啟動能力，綜合性價比較高。多相結構的開關磁阻電機一般僅限于作為電動機，因為此時電磁轉矩會更加的平滑，但是相應各方面的成本則大大加大，控制也更為復雜，而且開關損耗也會相應增大。 考慮到電機和控制器的成本和相應的損耗問題，當開關磁阻用于發(fā)電機時，一般使用較多的為三相或者四相的結構。同一種相數(shù)也有幾種搭配，如三相 12/8 結構、四相 8/6 結構等，可根據(jù)需要選擇。
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2.2  開關磁阻發(fā)電機數(shù)學建模
下面主要分析開關磁阻電機的基本關系方程以及相應的機電能量的轉換過程，電磁方程是分析電路運行的理論工具，機電轉換是進行控制優(yōu)化的思路來源[38]。SRG 的能量轉換是由耦合磁場作為中介，將機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)聯(lián)系起來從而完成機電能量的轉換。圖 2-3 表示了磁鏈和電流在一個運行周期的變化示意圖，代表了 SRG 能量轉化的過程，原點表示導通角打開，電機開始勵磁，頂點表示關斷角打開，勵磁結束，因此其閉合區(qū)域面積的大小代表了 SRG 機電能量轉換的大小。另外，曲線方向的不同表征著電機運行在電動模式還是發(fā)電模式。通過以上的分析可知，可知機電能量轉換的具體過程為：通過原動機進行外部機械功率的輸入，轉子轉動從而其位置角發(fā)生變化，磁鏈也隨之改變，磁場能量改變，進而導致運動電勢產(chǎn)生并使得部分磁場儲能轉換為電能，通過耦合磁場，運動電勢作用于電系統(tǒng)，電磁轉矩作用于機械系統(tǒng)，最終完成機電能量的轉換。
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第 3 章  開關磁阻發(fā)電機控制系統(tǒng)及仿真研究 ...........16 
3.1  開關磁阻發(fā)電機控制系統(tǒng) .......... 16 
3.1.1  控制系統(tǒng)組成 ..... 16 
3.1.2  基本控制方式 ..... 17 
3.2 SRG 非線性建模 .......... 19 
3.2.1  繞組非線性模型的建立 ..... 19 
3.2.2  控制仿真系統(tǒng)的組成 ......... 21 
3.3  非線性模型仿真分析 .......... 24
3.4  本章小結 ...... 27 
第 4 章  基于輸出電壓優(yōu)化的角度控制策略 .......28 
4.1  基于開關角的輸出電壓控制 ...... 28 
4.1.1  開關角的優(yōu)化 ..... 28 
4.1.2  仿真和結果分析 ......... 31 
4.2  空轉模式的設定與分析 ...... 33 
4.2.1  對稱空轉角度的設定 ......... 33 
4.2.2  仿真和結果分析 ......... 36 
4.3  空轉角的優(yōu)化 ...... 39 
4.3.1  空轉角的優(yōu)化策略 ..... 39 
4.3.2  參數(shù)整定和仿真分析 ......... 40 
4.4  本章小結 ...... 44 
第 5 章  開關磁阻發(fā)電機控制系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn) ...........45 
5.1  控制系統(tǒng)硬件設計 ...... 45
5.2  控制程序設計 ...... 48
5.3  實驗結果分析 ...... 50 
5.4  本章小結 ...... 52 

第 5 章  開關磁阻發(fā)電機控制系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)

開關磁阻發(fā)電機控制系統(tǒng)平臺主要包括：原動機、開關磁阻發(fā)電機本體、功率變換器、角度位置光電傳感器、電壓霍爾和電流霍爾傳感器、相應的信號調(diào)理電路以及 DSP 硬件控制系統(tǒng)。整體框圖如圖 5-1 所示。

5.1  控制系統(tǒng)硬件設計
功率變換器是 SRM 驅動系統(tǒng)的關鍵組成部分，負責接收數(shù)字控制器的 PWM驅動信號，控制開關管的導通或關斷保證繞組通路的通斷。針對本次 SRG 控制系統(tǒng)采用的一個 5.5 kW 的三相 12/8 的 SRG 電機，功率變換器采用的是三相不對稱半橋型電路。選用的 SRG 電機的額定電壓為 410 V，額定電流為 13.4 A。通常功率開關管的電壓為 3 倍大小峰值電壓，則開關管的額定電壓應在 1200 V 以上；電機的額定電流決定了系統(tǒng)的電流大小，所用的開關管通常取 2-3 倍的裕量，則開關管的額定電流應在 27-40 A 之間。綜合以上因素以及實驗室的實際情況，采用實驗室具有的 INFINEON 的 IGBT 即絕緣柵雙極型晶體管作為主開關器件。 IGBT 屬于電壓型功率開關器件，其驅動功率小且控制方便，能夠較強的在驅動中避免直通短路。IGBT 需要驅動為其提供工作所需的功率，同時可以有效地保護器件。因此，選擇 CONCEPT 公司的 SCALE 型驅動模塊。SCALE 驅動模塊使用了專用集成電路（ASIC）設計方法，自帶光耦電氣隔離，具有很高的集成性。其驅動電壓需要 15 V，開關頻率可以達到 100 kHz，并集成了 IGBT 過流保護功能。該驅動板由兩個功能模塊構成，LDI（邏輯與驅動接口）模塊和IGD（智能柵極驅動）模塊。驅動板接收控制器發(fā)出的PWM信號，LDI將信號經(jīng)過脈沖變壓器隔離出兩路 IGBT 驅動信號，驅動外接 IGBT；每路IGD收到LDI輸出的編碼信號，并進行解碼還原得到初始PWM信號，在功率放大后提供 IGBT 所需的驅動電流。 
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結   論

本文以開關磁阻發(fā)電機控制系統(tǒng)為研究對象，以基于角度控制提高系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性，完成控制系統(tǒng)的設計為研究目標，從 SRG 的機電能量轉換分析、非線性建模、角度控制、系統(tǒng)仿真和實驗平臺驗證等幾個方面對開關磁阻發(fā)電機控制系統(tǒng)設計進行了研究。本文的主要結論具體如下： 
（1）根據(jù)實驗室樣機的參數(shù)利用有限元分析并通過三次樣條插值得到了磁鏈、電流和角度的二維表，建立了 SRG 控制系統(tǒng)的非線性仿真模型，仿真分析了 SRG控制系統(tǒng)的運行特性以及基于斬波控制的輸出電壓的穩(wěn)定性。 
（2）為實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，本文首先設計了基于開關角的控制策略，確立開通基于參考電壓基準值、關斷角基于母線電流波動因數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)的控制算法，使得輸出電壓在一定的誤差范圍內(nèi)穩(wěn)定在參考電壓附近。 
（3）提出了空轉運行模式，仿真結果表明其減小了母線電流的有效值，抑制了母線電流的波動；進一步設計了基于開關角，轉速和母線電壓等變量函數(shù)關系的自適應解析優(yōu)化，通過仿真數(shù)據(jù)以及 PID 參數(shù)整定的方法分別對解析式中的導通角，輸出電壓誤差以及轉速和給定電壓三部分確定了解析參數(shù)。仿真結果表明，空轉運行模式及空轉角解析優(yōu)化的控制策略使得輸出電壓的穩(wěn)定性進一步提高，達到了與基于相電流控制的輸出電壓相同的穩(wěn)定性。 
（4）針對實驗室樣機，完成了 SRG 控制系統(tǒng)的實驗平臺，實驗驗證了基于角度的輸出電壓穩(wěn)定性優(yōu)化控制策略的可靠性。
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參考文獻(略)  

本文編號：45220