第 1 章  緒   論

1.1  課題背景及意義
日益發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和不斷提高的物質(zhì)生活水平使得人類對(duì)電力的需求越來(lái)越大，而隨著環(huán)保壓力和能源危機(jī)的加大，對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到全球的關(guān)注。風(fēng)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(kāi)發(fā)。風(fēng)力發(fā)電因其環(huán)境要求低、安全可靠、建設(shè)周期短、無(wú)污染、發(fā)電方式多樣等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為世界各國(guó)的研究重點(diǎn)。近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，已成為我國(guó)三大主力電源之一，風(fēng)電在能源市場(chǎng)扮演著越來(lái)越重要的角色[1]。 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在這幾十年中發(fā)展迅猛，發(fā)電機(jī)組從傳統(tǒng)的定槳距恒速運(yùn)行到基于變速恒頻技術(shù)，不同類型的風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)以及通過(guò)相應(yīng)的控制技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了向電網(wǎng)供應(yīng)電力的目標(biāo)[2]。目前市場(chǎng)的主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)為永磁同步電機(jī)和無(wú)刷雙饋電機(jī)。無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制麻煩，且風(fēng)機(jī)和電機(jī)之間需要齒輪箱，齒輪箱不僅增加了成本，也易故障出錯(cuò)，降低了發(fā)電效率。永磁同步電機(jī)材料結(jié)構(gòu)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(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展有巨大的促進(jìn)作用。 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（Switched Reluctance Generator，簡(jiǎn)稱 SRG）是一個(gè)包含了電機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、及檢測(cè)技術(shù)等多門學(xué)科的機(jī)電一體化系統(tǒng)。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單；各相相互獨(dú)立，容錯(cuò)率高；變速范圍寬，能適應(yīng)不同的風(fēng)速，運(yùn)行效率高，對(duì)工作環(huán)境要求極低，實(shí)現(xiàn)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電；控制方式靈活，輸出電壓為直流電，易于儲(chǔ)能和并網(wǎng)[4,5]。因此特別適合應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。 由于開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)本體定子、轉(zhuǎn)子雙凸極的結(jié)構(gòu)，其具有很強(qiáng)的非線性，難以建模；而其在工作時(shí)，電流難以控制，只能通過(guò)開(kāi)關(guān)角控制其勵(lì)磁和續(xù)流的狀態(tài)，因此各參量之間又帶有很強(qiáng)的耦合性，因此其有相關(guān)亟待解決的問(wèn)題需要進(jìn)行研究。本文以 SRG 控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，以提高母線輸出電壓的穩(wěn)定性為研究目標(biāo)，對(duì)此進(jìn)行較為深入的研究。
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 1.2  開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)研究現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究開(kāi)始側(cè)重于其在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是當(dāng)用作風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在學(xué)術(shù)界的被認(rèn)可始于論文“Variable speed switched reluctance motors”，其詳細(xì)地說(shuō)明了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作方式、運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)方法，為之后開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。而近些年來(lái)來(lái)自美國(guó)的 Torrey 團(tuán)隊(duì)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)做了深入的研究，其成功地將開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中[7]，并進(jìn)一步在 2000 年針對(duì)高速運(yùn)行的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)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(lì)磁參數(shù)的高于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)”，這些典型的工作是促進(jìn)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用到實(shí)際中，特別是風(fēng)電領(lǐng)域的基礎(chǔ)[8-10]。下面介紹國(guó)外其他學(xué)者的研究現(xiàn)狀。 2003 年，Dixon 提出了在勵(lì)磁和退磁間隔中設(shè)計(jì)間隔運(yùn)行，以此控制勵(lì)磁電流導(dǎo)致磁鏈的飽和從而來(lái)提高系統(tǒng)總體的發(fā)電效率[11]。2005 年，Kioskeridis 和Mademlis 對(duì)通過(guò)在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中對(duì)電流控制選擇合適的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能優(yōu)化的問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的研究[12]，后又對(duì)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)最大能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)化控制問(wèn)題進(jìn)行了研究[13]。2006 年，Ogawa 設(shè)計(jì)了基于風(fēng)速追蹤的小型開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)，為 SRG 小型應(yīng)用提供了思路[14]；2008 年，Chang 和 Liaw 提出了開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的電壓反饋控制，分析了直流母線電壓紋波的產(chǎn)生特點(diǎn)[15]；2009年，Echenique 提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及電流斜坡法對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了無(wú)位置傳感器的控制研究[16]；2011 年，F(xiàn)ernando 提出了在不同風(fēng)速，設(shè)定不同的開(kāi)關(guān)角，通過(guò)仿真分析和多次試驗(yàn)，確定實(shí)際運(yùn)行的最佳開(kāi)關(guān)角[17]；Zan 提出了在不能得到電機(jī)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的條件下，設(shè)計(jì)了一種基于單神經(jīng)網(wǎng)路的自適應(yīng) PID 控制器[18]；Ming 介紹了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在高速航空發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，其不僅可以作為啟動(dòng)機(jī)，還可以作為發(fā)電機(jī)[19]；Chang 設(shè)計(jì)了一個(gè)基于開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，為開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用提供一定的思路[20]。 
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第 2 章  開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)運(yùn)行分析

分析 SRG 的基本運(yùn)行理論是對(duì)其進(jìn)行控制優(yōu)化的基礎(chǔ)。本章首先介紹開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類，闡述其運(yùn)行的基本原理，確定其線性數(shù)學(xué)模型，并著重分析了運(yùn)行過(guò)程中機(jī)電能量之間的轉(zhuǎn)化；進(jìn)一步考察 SRG 理想線性電感模型及其與位置角的關(guān)系，分析運(yùn)行過(guò)程中相電流和磁鏈的變化情況，為接下來(lái)的控制研究奠定了理論基礎(chǔ)。

2.1  開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理 
SRG 由雙凸極結(jié)構(gòu)組成，其定子和轉(zhuǎn)子均有普通硅鋼片疊壓而成。開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)僅定子上有線圈繞組，經(jīng)過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)等方式組成一定的相數(shù)；轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組線圈也沒(méi)有永磁體，所以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，，成本低，易于維護(hù)，運(yùn)行時(shí)發(fā)熱也較低。圖 2-1 為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)示意圖。 從結(jié)構(gòu)上分析，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的定轉(zhuǎn)子極數(shù)一般不等，這樣可以防止定轉(zhuǎn)子凸極完全重合時(shí)，導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；另一個(gè)方面，不同的定子和轉(zhuǎn)子極數(shù)可以不同相數(shù)的電機(jī)結(jié)構(gòu)，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(dòng)機(jī)來(lái)使用時(shí)，自啟動(dòng)能力較低，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也很大。而三四相的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是各方面表現(xiàn)比較均衡和良好的，具備正反向自啟動(dòng)能力，綜合性價(jià)比較高。多相結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)一般僅限于作為電動(dòng)機(jī)，因?yàn)榇藭r(shí)電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)更加的平滑，但是相應(yīng)各方面的成本則大大加大，控制也更為復(fù)雜，而且開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)相應(yīng)增大。 考慮到電機(jī)和控制器的成本和相應(yīng)的損耗問(wèn)題，當(dāng)開(kāi)關(guān)磁阻用于發(fā)電機(jī)時(shí)，一般使用較多的為三相或者四相的結(jié)構(gòu)。同一種相數(shù)也有幾種搭配，如三相 12/8 結(jié)構(gòu)、四相 8/6 結(jié)構(gòu)等，可根據(jù)需要選擇。
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2.2  開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)建模
下面主要分析開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本關(guān)系方程以及相應(yīng)的機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程，電磁方程是分析電路運(yùn)行的理論工具，機(jī)電轉(zhuǎn)換是進(jìn)行控制優(yōu)化的思路來(lái)源[38]。SRG 的能量轉(zhuǎn)換是由耦合磁場(chǎng)作為中介，將機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)從而完成機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。圖 2-3 表示了磁鏈和電流在一個(gè)運(yùn)行周期的變化示意圖，代表了 SRG 能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，原點(diǎn)表示導(dǎo)通角打開(kāi)，電機(jī)開(kāi)始勵(lì)磁，頂點(diǎn)表示關(guān)斷角打開(kāi)，勵(lì)磁結(jié)束，因此其閉合區(qū)域面積的大小代表了 SRG 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的大小。另外，曲線方向的不同表征著電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)模式還是發(fā)電模式。通過(guò)以上的分析可知，可知機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的具體過(guò)程為：通過(guò)原動(dòng)機(jī)進(jìn)行外部機(jī)械功率的輸入，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)從而其位置角發(fā)生變化，磁鏈也隨之改變，磁場(chǎng)能量改變，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)電勢(shì)產(chǎn)生并使得部分磁場(chǎng)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)耦合磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)電勢(shì)作用于電系統(tǒng)，電磁轉(zhuǎn)矩作用于機(jī)械系統(tǒng)，最終完成機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。
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第 3 章  開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)及仿真研究 ...........16 
3.1  開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)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(jié) ...... 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(kāi)關(guān)角的輸出電壓控制 ...... 28 
4.1.1  開(kāi)關(guān)角的優(yōu)化 ..... 28 
4.1.2  仿真和結(jié)果分析 ......... 31 
4.2  空轉(zhuǎn)模式的設(shè)定與分析 ...... 33 
4.2.1  對(duì)稱空轉(zhuǎn)角度的設(shè)定 ......... 33 
4.2.2  仿真和結(jié)果分析 ......... 36 
4.3  空轉(zhuǎn)角的優(yōu)化 ...... 39 
4.3.1  空轉(zhuǎn)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(jié) ...... 44 
第 5 章  開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn) ...........45 
5.1  控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ...... 45
5.2  控制程序設(shè)計(jì) ...... 48
5.3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ...... 50 
5.4  本章小結(jié) ...... 52 

第 5 章  開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)主要包括：原動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)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(yīng)的信號(hào)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(shè)計(jì)
功率變換器是 SRM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)接收數(shù)字控制器的 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷保證繞組通路的通斷。針對(duì)本次 SRG 控制系統(tǒng)采用的一個(gè) 5.5 kW 的三相 12/8 的 SRG 電機(jī)，功率變換器采用的是三相不對(duì)稱半橋型電路。選用的 SRG 電機(jī)的額定電壓為 410 V，額定電流為 13.4 A。通常功率開(kāi)關(guān)管的電壓為 3 倍大小峰值電壓，則開(kāi)關(guān)管的額定電壓應(yīng)在 1200 V 以上；電機(jī)的額定電流決定了系統(tǒng)的電流大小，所用的開(kāi)關(guān)管通常取 2-3 倍的裕量，則開(kāi)關(guān)管的額定電流應(yīng)在 27-40 A 之間。綜合以上因素以及實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，采用實(shí)驗(yàn)室具有的 INFINEON 的 IGBT 即絕緣柵雙極型晶體管作為主開(kāi)關(guān)器件。 IGBT 屬于電壓型功率開(kāi)關(guān)器件，其驅(qū)動(dòng)功率小且控制方便，能夠較強(qiáng)的在驅(qū)動(dòng)中避免直通短路。IGBT 需要驅(qū)動(dòng)為其提供工作所需的功率，同時(shí)可以有效地保護(hù)器件。因此，選擇 CONCEPT 公司的 SCALE 型驅(qū)動(dòng)模塊。SCALE 驅(qū)動(dòng)模塊使用了專用集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)方法，自帶光耦電氣隔離，具有很高的集成性。其驅(qū)動(dòng)電壓需要 15 V，開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到 100 kHz，并集成了 IGBT 過(guò)流保護(hù)功能。該驅(qū)動(dòng)板由兩個(gè)功能模塊構(gòu)成，LDI（邏輯與驅(qū)動(dòng)接口）模塊和IGD（智能柵極驅(qū)動(dòng)）模塊。驅(qū)動(dòng)板接收控制器發(fā)出的PWM信號(hào)，LDI將信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖變壓器隔離出兩路 IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外接 IGBT；每路IGD收到LDI輸出的編碼信號(hào)，并進(jìn)行解碼還原得到初始PWM信號(hào)，在功率放大后提供 IGBT 所需的驅(qū)動(dòng)電流。 
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結(jié)   論

本文以開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)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(shè)計(jì)為研究目標(biāo)，從 SRG 的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換分析、非線性建模、角度控制、系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證等幾個(gè)方面對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。本文的主要結(jié)論具體如下： 
（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的參數(shù)利用有限元分析并通過(guò)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(yùn)行特性以及基于斬波控制的輸出電壓的穩(wěn)定性。 
（2）為實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，本文首先設(shè)計(jì)了基于開(kāi)關(guān)角的控制策略，確立開(kāi)通基于參考電壓基準(zhǔn)值、關(guān)斷角基于母線電流波動(dòng)因數(shù)動(dòng)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(zhuǎn)運(yùn)行模式，仿真結(jié)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(dòng)；進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于開(kāi)關(guān)角，轉(zhuǎn)速和母線電壓等變量函數(shù)關(guān)系的自適應(yīng)解析優(yōu)化，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)以及 PID 參數(shù)整定的方法分別對(duì)解析式中的導(dǎo)通角，輸出電壓誤差以及轉(zhuǎn)速和給定電壓三部分確定了解析參數(shù)。仿真結(jié)果表明，空轉(zhuǎn)運(yùn)行模式及空轉(zhuǎn)角解析優(yōu)化的控制策略使得輸出電壓的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，達(dá)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(duì)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，完成了 SRG 控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xiàn)(略)  

本文編號(hào)：45220