摘  要：為準(zhǔn)確地控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大功率點跟蹤運(yùn)行要求，提出一種橫向磁通開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制第略。采用相功率變換器構(gòu)建勵磁與升壓斬波電路，可在整個變速運(yùn)行范圍內(nèi)有效地控制繞組電流的幅值和波形。該變換器通過直流母線與三相逆變器相連，即可構(gòu)成完整的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電琦率變換裝置。樣機(jī)實驗結(jié)果表明：采用該方法的風(fēng)電系統(tǒng)能夠?qū)⒗@組電流限制在±0．5A域值范圍內(nèi)。從而在轉(zhuǎn)矩／功率控制精度、運(yùn)行平穩(wěn)性和直流母線電壓紋波等性能上比傳統(tǒng)系統(tǒng)更為優(yōu)越。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；變速恒頻；磁阻電機(jī)；斬波控制

    開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(switched teluctance genera-tor，SRG)及其變流器結(jié)構(gòu)簡單、堅固，制造成本低，運(yùn)行可靠性高，便于保護(hù)，這些優(yōu)良特性使它非常適合于工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。如果進(jìn)一步采用橫向磁通結(jié)構(gòu)的SRG，則即使在很低的轉(zhuǎn)速下也能發(fā)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，因而可省去升速齒輪箱，實現(xiàn)直驅(qū)發(fā)電。
    SRG繞組中的電流具有單方向、周期性脈沖特征：在電流變化的1個周期內(nèi)，可分為勵磁和發(fā)電2個時間段。傳統(tǒng)的SRG僅對勵磁期間的電流進(jìn)行限幅斬波控制，而一旦勵磁結(jié)束，繞組電流將自動進(jìn)入反壓續(xù)流狀態(tài)，向直流母線饋電。在發(fā)電期間，發(fā)電機(jī)的繞組電流和電磁功率處于失控狀態(tài)，只能預(yù)先改變勵磁關(guān)斷時刻加以調(diào)節(jié)。這種功率調(diào)節(jié)方法較為粗略，難以滿足變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)跟蹤最大功率點運(yùn)行的要求。
    采用開關(guān)角度優(yōu)化與軟勵磁相結(jié)合的辦法可在發(fā)電機(jī)的低速運(yùn)行段，對繞組電流進(jìn)行幅值控制。如果使用額外的電流控制電路，例如再生式功率變換器，同樣可以控制繞組電流的幅值。然而，上述這些方法都沒有在全速范圍內(nèi)實現(xiàn)繞組電流的完全控制。
    為解決傳統(tǒng)SRG在發(fā)電期間的電流失控問題，本文提出一種升壓型SRG運(yùn)行與控制模式。基本思想是使相功率變換器中的直流母線電壓恒高于發(fā)電機(jī)繞組中的運(yùn)動電勢，只有在運(yùn)動電勢與變壓器電勢之和超出母線電壓時，發(fā)電機(jī)才向其注入電流，否則升壓電路利用運(yùn)動電勢提升繞組電流，增加繞組中的磁場儲能。分析與實驗表明：該方法能夠準(zhǔn)確控制發(fā)電機(jī)繞組電流的幅值和波形，使SRG風(fēng)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制精度得到明顯地改善。

l 理論分析

1．1 變速風(fēng)力機(jī)的控制要求
    由空氣動力學(xué)可知,風(fēng)力機(jī)的輸出功率P一般與風(fēng)速u、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和槳葉的槳距角β有關(guān)，即

式中：ρ為空氣密度;S為風(fēng)輪掃風(fēng)面積;葉尖速比λ=ωR/υ，ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；R為風(fēng)輪半徑；v為風(fēng)速；Cp(λ，β)為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。
    當(dāng)風(fēng)速低于額定值時，應(yīng)使風(fēng)力機(jī)盡量捕獲風(fēng)能，此時槳葉的槳距角固定在接近于零度的位置。為使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)維持在較高的水平，從而捕獲最大的風(fēng)能，應(yīng)保持葉尖速比基本不變，一般可通過動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，閉環(huán)控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，所以，在整個變速運(yùn)行范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制精度對于風(fēng)力機(jī)跟蹤最大功率點運(yùn)行影響極大。

1．2 升壓型SRG運(yùn)行分析
    SRG的相功率變換器主電路如圖1所示。由第k相繞組Lk構(gòu)成的不對稱半橋電路中：T1、T2為可控主開關(guān)器件；D1、D2是續(xù)流二級管；而us為開關(guān)磁阻電機(jī)在自勵模式下的起勵電源。在系統(tǒng)直流側(cè)電容電壓udc穩(wěn)定后，電路將由二極管D斷開，電容Cdc為直流母線的儲能電容。

    傳統(tǒng)的SRG繞組電流控制多采用角度或斬波控制方法：轉(zhuǎn)子進(jìn)入勵磁期間時，開關(guān)管T1和T2同時導(dǎo)通，在直流母線電壓udc的作用下，繞組電流開始上升建立磁場。當(dāng)繞組電流超過給定值，Irel時，T1和T2同時關(guān)斷，繞組電流進(jìn)入反壓續(xù)流狀態(tài)，電流開始下降，繞組將過剩的磁場儲能返還給電網(wǎng)。如采用滯環(huán)控制，則可以將繞組電流穩(wěn)定在Iref附近。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置超過勵磁終止角θoff時，T1和T2同時關(guān)斷，繞組電流進(jìn)入反壓續(xù)流狀態(tài)，此時由于繞組電感對轉(zhuǎn)角的變化率dL／dθ<0，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。繞組電流的變化趨勢取決于運(yùn)動電勢em=ωi(dL/dθ)的大小：如果em>udc，繞組電流繼續(xù)上升，反之繞組電流下降。當(dāng)續(xù)流過程結(jié)束后，繞組電流處于截止?fàn)顟B(tài)。該數(shù)學(xué)模型可用電機(jī)第k相的2值邏輯開關(guān)函數(shù)Sk表示為

其中：T1和T2同時導(dǎo)通時Sk=1；T1和T2同時關(guān)斷時Sk=-1；em為繞組中的運(yùn)動電勢；ef為繞組中的變壓器電動勢；△u為開關(guān)管或續(xù)流二級管導(dǎo)通管壓降。
    而ik產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩則是第k相繞組電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。在理想線性模型下的轉(zhuǎn)矩為

    顯然，在角度或斬波控制方式中，發(fā)電期間繞組電流處于不加控制的反壓續(xù)流狀態(tài)。唯一對它有影響的只是勵磁結(jié)束角和該時刻的繞組電流初值。這使得繞組電流與電磁轉(zhuǎn)矩的控制呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性特征，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)速以及直流母線電壓都會發(fā)生較大的波動。
    在SRG發(fā)電期間，如果對繞組電流繼續(xù)進(jìn)行滯環(huán)控制，則有可能使電流波形接近理想的方波形式。實現(xiàn)這一控制目標(biāo)的關(guān)鍵是必須建立適當(dāng)?shù)睦@組電流上升與下降機(jī)制。當(dāng)繞組電流小于給定值Iref時，有2種方法提升繞組電流：1)同時開通開關(guān)管T1和T2，繞組電流在同方向的udc和em共同作用下迅速上升。此時流向直流母線的充電電流為負(fù)值;2)只開通T1，而T2保持關(guān)斷，繞組電流在em的作用下上升，但上升速度稍慢。顯然，這時的充電電流為0。比較上述2種提升繞組電流的方法可知，前一