開關磁阻變速恒壓發(fā)電控制研究

陳 逸，孫劍波，韋忠朝

（華中科技大學強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北 武漢430074）

開關磁阻電機結構簡單，可方便地實現(xiàn)電動／發(fā)電運行功能［1］眾多顯著的優(yōu)點使其開始應用于混合動力／純電動牽引領域、航空航天發(fā)電電源系統(tǒng)、風力電力發(fā)電系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)等領域［2－8］.與永磁電機不同，開關磁阻電機在發(fā)電運行時相當于一個電流源，在較寬的轉速范圍內(nèi)可以實現(xiàn)變速且電壓恒定的直流電電機輸出的電流脈動，在給電動汽車蓄電池進行充電時效果更好.在風力發(fā)電系統(tǒng)中，較寬的發(fā)電速度范圍可使其不需要齒輪箱，實現(xiàn)直驅(qū)發(fā)電，同時提高了風力發(fā)電效率.本文以一臺12／8極三相開關磁阻電機進行數(shù)學建模和仿真，在此基礎上實現(xiàn)變速恒壓發(fā)電功能，并實現(xiàn)整個系統(tǒng)的性能預估和參數(shù)設計.

1 控制策略設計

1.1 發(fā)電模式

開關磁阻電機發(fā)電的勵磁模式主要有自勵和他勵兩種.與他勵模式相比，自勵模式在結構上不像他勵模式要求勵磁回路和發(fā)電回路相互獨立，因此結構簡單，控制較為方便.自勵模式下只需要提供起始勵磁電壓，穩(wěn)定發(fā)電后，只需要儲能電容供電即可勵磁.在不對稱半橋電路中，開關管導通時，在相繞組中建立各相得勵磁電流，開關管斷開時，各相繞組所積攢的能量通過上下橋臂的續(xù)流二極管反饋給電源或負載.文獻［5］表明，返回的發(fā)電能量遠遠大于勵磁期間相繞組所吸收的能量.自勵模式下系統(tǒng)體積小，效率高，控制簡便，非常適用于小型的離網(wǎng)發(fā)電，故本文選用自勵模式.

1.2 控制模式

開關磁阻發(fā)電機在控制層面的控制參數(shù)靈活多變，主要參數(shù)有開通角θon、關斷角Uoff、勵磁電壓Ue和相電流上限Imax等.因此，多參數(shù)控制也能靈活方便地實現(xiàn)變速恒壓發(fā)電.但是，無論怎么控制，在轉子位置角θ大于關斷角（即發(fā)電區(qū)），是不能直接控制發(fā)電機的發(fā)電目標的.發(fā)電目標的確定只能取決于在轉子位置角處于開通角和關斷角Uoff之間時（即勵磁區(qū)）所能產(chǎn)生的最大勵磁相電流.Imax也是衡量磁場儲存能量大小的一個參數(shù)，越大，表明勵磁的強度越高，所儲存的能量越大.同開關磁阻電動機一樣，目前常用的控制策略主要有：電流斬波控制（CCC）、角度位置控制（APC）、脈寬調(diào)制（PWM）控制.考慮到CCC控制方案能確保變換器可靠工作，同時減小了相電流對開關管的沖擊，能有效實現(xiàn)低脈動的恒壓發(fā)電，本文在仿真時控制策略采用電流斬波方式.

1.3 總體控制方案

圖1 變速恒壓發(fā)電系統(tǒng)控制框圖

開關磁阻發(fā)電控制系統(tǒng)主要由開關磁阻發(fā)電機、功率主電路、控制電路等部分組成，其控制框圖如圖1所示.截止，U不再為電機提供勵磁電源，而由電容C1進行自勵磁，C1為母線的濾波穩(wěn)壓和儲能電容，當開關管導通時，通過勵磁母線上給各相勵磁；當開關管斷開時，通過二極管的續(xù)流以及母線進行發(fā)電.母線電流相反，發(fā)電供給C1儲能，以及負載電壓.

圖2 功率主電路圖

為實現(xiàn)變速恒壓發(fā)電，控制策略為電壓外閉環(huán)、電流內(nèi)閉環(huán)的電流斬波模式，給定參考電壓指令Uref，同實測電壓Uout比較后輸出電壓誤差指令，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出電流指令，同時位置檢測器將轉子的實時位置信號θ輸入角度判斷邏輯控制模塊，以給定定子繞組各相的換相信號.經(jīng)過參考電流計算模塊輸出參考電流Iref.此為外電壓閉環(huán)的工作情況.在內(nèi)環(huán)電流環(huán)，參考電流與功率變換器各相實測電流比較后，經(jīng)過電流滯環(huán)，輸出各相開關的觸發(fā)信號，以實現(xiàn)給電機的勵磁以及在各相電感下降區(qū)建立能量磁場實現(xiàn)發(fā)電功能變速輸入模塊則是給開關磁阻發(fā)電機提供變速原動力，真正實現(xiàn)變速恒壓.本系統(tǒng)的工作性能通過負載來測試及驗證.

主電路是實現(xiàn)電機能量轉換的載體，是開關磁阻發(fā)電系統(tǒng)不可或缺的部分.本文采用自勵三相不對稱半橋電路（圖2），U為起動勵磁電源，系統(tǒng)穩(wěn)定后，當發(fā)電電壓大于勵磁電壓的時候，二極管RD1

2 SRG數(shù)學建模及仿真

開關磁阻變速恒壓發(fā)電機的仿真模型如圖3所示.模塊主要包括發(fā)電機本體SRG、功率電路CONVERTER、PID調(diào)節(jié)模塊、位置角判斷模塊Position sensor Fun、電流計算及滯環(huán)模塊.仿真參數(shù)如下所示：三相12／8極SRG，勵磁電壓200V，仿真采用電流斬波（CCC）控制，電壓閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，給定勵磁電流斬波限為70A，用正弦信號作為變速輸入

仿真參數(shù)及流程為：給定變速指令給SRG模塊（為方便起見，給定正弦變速），輸出各相電流；勵磁電壓為200V，給定電壓指令Uref＝220V，與發(fā)電電壓比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器輸出參考電流，模塊則是模擬機的勵磁、以及在各相電感下降趨電壓，和各相電流作比較，通過滯環(huán)電路產(chǎn)生斬波信號給功率變換電路，實現(xiàn)電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制.

圖3 開關磁阻變速恒壓發(fā)電仿真圖

2.1 SRG本體非線性建模

開關磁阻電機有著特殊的雙凸極結構和非線性特性，為定量分析整個系統(tǒng)的性能，精確建立非線性本體模型是有必要的.本文通過課題組自主研發(fā)的開關磁阻電機有限元分析軟件SRMFEM實現(xiàn)了和simulink的無縫連接，在電機設計參數(shù)基礎上，通過SRMFEM計算得到的磁鏈函數(shù)，其三維磁鏈、電流、角度映射圖如圖4所示.反演為電流特性函數(shù)i（θ，ψ），在simulink中生成電流關于磁鏈和位置角度的二維表，通過插值法就可以實現(xiàn)整個曲線的擬合，得到任意角度和磁鏈情況下的電流值.忽略飽和、邊緣效應及各相之間的互感影響，其基本數(shù)學模型：

上式基本數(shù)學模型同磁鏈、轉矩、電流、角度之間的關系一起構建開關磁阻發(fā)電機的本體建模.上式中：ψk、Uk、Ik分別為各相磁鏈、電壓、電流；R為繞組相電阻；R＝0.002Ω；θ為轉子角位置；W為轉子角速度建模中轉子轉動慣量；J＝0.002 6kg·m2.

圖4 PI調(diào)節(jié)模塊

2.2 功率電路

勵磁和功率主電路采用不對稱半橋電路，如上文分析，電壓信號V＋、V－由勵磁電壓給定，斬波控制時選擇斬雙管，即觸發(fā)信號由電流滯環(huán)輸出信號給定，同時開通、關斷開關管.

2.3 位置判斷模塊

在本文中，12／8極電機的轉子周期為45°，定義轉子齒設定開通角22.5°、關斷角45°.

2.4 PI調(diào)節(jié)模塊

如圖5所示，通過給定Uref和測量值Uout的電壓差值輸入，給出參考電流信號Iref輸出Kp為比例參數(shù)，比例控制能迅速反映給定電壓Uref和反饋電壓Uout的誤差，并且減小誤差，但是卻沒有辦法消除穩(wěn)態(tài)的誤差.本文仿真的比例參數(shù)Kp＝25，Ki為積分參數(shù)，積分控制不斷對誤差進行累積，最終可以完全消除誤差在下文的仿真中，比例參數(shù)Ki＝900.鑒于開關磁阻發(fā)電機嚴重的非線性關系，所以不同工況下選用不同的比例參數(shù)搭配，以實現(xiàn)良好的動靜態(tài)特性.其中saturation模塊限定電流幅值為70A，在saturation模塊兩側添加一個電流比較反饋，以加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確度.

2.5 電流計算及滯環(huán)模塊

PI的輸出信號和位置角判斷輸出信號相乘后，得到各相的電流，同測量的電流信號閉環(huán)后經(jīng)滯環(huán)模塊輸出信號，一起實現(xiàn)相電流的斬波控制.

圖5 磁鏈函數(shù)圖

3 仿真結果及分析

利用上述搭建的仿真模型，本文可以實現(xiàn)變速恒壓的建壓、突增負載、突減負載等各種仿真.主要仿真參數(shù)：設定Ts＝3×10－6s（如無特殊說明）時，給定勵磁電壓Us＝200V，電壓指令Uref＝220V，儲能濾波電容為C＝4.4×10－6F.為方便研究，變速給定為一正弦變化信號，轉速n＝300sin（200＊pi＊t＋90）＋5 000r／min，PI參數(shù)設為比例參數(shù)Kp＝25，積分參數(shù)Ki＝900.

3.1 變速建壓穩(wěn)態(tài)電壓

仿真時間設為0.12s，負載電阻為RL＝200Ω，Ts＝1×10－6s，此時發(fā)電功率為242W，電壓波形如圖6所示.

圖6 建壓波形

仿真結果表明：在0.04s左右，系統(tǒng)電壓便可穩(wěn)定到220V.動態(tài)響應很快，電壓紋波也很小 ，且電壓紋波呈周期性變化，這是因為穩(wěn)態(tài)發(fā)電時相電流的基本頻率

其中：n為瞬時轉速，Nr為轉子的齒極數(shù).所以在輸出電壓中也能看到其單個電壓紋波呈周期變化.但是在合適的PI參數(shù)、電壓閉環(huán)和濾波電路的控制下，發(fā)電電壓可以穩(wěn)定在允許的脈動范圍之內(nèi).

3.2 突減、突增負載

突減負載仿真時間設為T＝0.16s，負載電阻的初始值為兩個電阻的并聯(lián)，RL1＝200Ω，RL2＝20Ω，并聯(lián)后的負載阻值為RL＝18.2Ω，此時，在發(fā)電機穩(wěn)態(tài)發(fā)電的時刻，發(fā)電功率為Pout＝2 659.3.W在0.07s時突然卸掉負載電阻RL2，將負載電阻由RL＝18.2Ω變化為RL＝200Ω，此時其發(fā)電輸出功率由2 659.3W突減至242W.突減負載電壓波形如圖7所示.

圖7 突減負載電壓波形

突減負載情況下，初始負載為重載，即0.07s之前，電壓的脈動比較大，電壓紋波約為0.5V；而在突減負載后，即0.07s后，負載變小，電壓脈動極小，這同實際也相符合.在負載突減的瞬間，瞬時輸出功率不變，輸出電壓瞬時增大，系統(tǒng)電壓超調(diào)量約為0.4V，其過渡時間約為0.05s即在0.12s時，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定.

突增負載仿真時間設為T＝0.15s，負載電阻初始值RL1＝200Ω.在發(fā)電機穩(wěn)態(tài)發(fā)電的時刻，發(fā)電功率Pout＝242W在0.08s時突然并聯(lián)一個負載電阻RL2＝20Ω，將負載電阻由RL＝200Ω變化為RL＝18.2Ω，此時其發(fā)電輸出功率由242W突增至2 659.3W.突增負載電壓波形如圖8所示.

圖8 突增負載電壓波形

突增負載情況下，初始負載為輕載，電壓脈動很?。煌辉鲐撦d后，電壓脈動增大，電壓紋波約為0.5 V.在負載突減的瞬間，瞬時輸出功率不變，輸出電壓瞬時增大，系統(tǒng)電壓超調(diào)量約為0.5V，其過渡時間約為0.05s，即在0.13s，系統(tǒng)便穩(wěn)定下來.

仿真結果表明：在負載發(fā)生突變時，系統(tǒng)的動態(tài)響應良好，這是因為開關磁阻發(fā)電機的各相相互獨立，且勵磁和發(fā)電是分時工作的，所以時間常數(shù)小，動態(tài)響應快仿真波形和理論相一致.在變速的情況下，開關磁阻發(fā)電機的靜動態(tài)響應良好.

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