一種開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)新型功率變換系統(tǒng)及其最大功率點(diǎn)跟蹤控制

趙紫帆 孫冠群 楊建青 陸燕燕 周志文

一種開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)新型功率變換系統(tǒng)及其最大功率點(diǎn)跟蹤控制

趙紫帆1孫冠群1楊建青2陸燕燕2周志文2

（1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院，浙江 義烏 322002； 2. 國(guó)網(wǎng)新疆綜合能源服務(wù)有限公司，烏魯木齊 830011）

本文提出一種含可變勵(lì)磁電壓且所用開(kāi)關(guān)管數(shù)量最少的新型開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（SRG）功率變換器，包括主電路與勵(lì)磁電路，主電路所需主開(kāi)關(guān)管數(shù)量等于SRG相繞組數(shù)，勵(lì)磁電路僅需一只主開(kāi)關(guān)管。勵(lì)磁電壓與發(fā)電電壓解耦并可獨(dú)立控制，勵(lì)磁電路無(wú)隔離環(huán)節(jié)并與主電路共地。在分析該新型功率變換器工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)變速風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用工況，提出基于該新型功率變換器的SRG最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制方法，給出勵(lì)磁電壓擾動(dòng)控制策略。通過(guò)對(duì)一臺(tái)750W的SRG樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，并與基于共上管功率變換器的SRG風(fēng)電MPPT進(jìn)行比較，結(jié)果表明本文所述新型SRG功率變換器的輸出功率增加1.5%，驗(yàn)證了該新型功率變換器及其控制策略的有效性。

開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（SRG）；最少開(kāi)關(guān)功率變換器；主電路；勵(lì)磁電路；變勵(lì)磁電壓；最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制

0 引言

開(kāi)關(guān)磁阻（switched reluctance, SR）電機(jī)本體結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單堅(jiān)固，尤其是轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組和永磁體，成本低、耐高溫高速，多年來(lái)在電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)提升效率等方面不斷取得進(jìn)步，應(yīng)用前景越來(lái)越受到業(yè)界期待[1-6]。但是，SR電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用即開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（switched reluctance generator, SRG）相對(duì)少見(jiàn)。SR電機(jī)運(yùn)行中需根據(jù)定轉(zhuǎn)子凸極之間的相對(duì)位置關(guān)系，選定需通電工作的相繞組，各相繞組根據(jù)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置關(guān)系分時(shí)通電，SRG工作時(shí)每相繞組內(nèi)部又細(xì)分為勵(lì)磁和發(fā)電兩個(gè)階段，按順序分時(shí)進(jìn)行，因此SRG的相繞組功率變換系統(tǒng)顯得格外重要。由于其原理特殊，與傳統(tǒng)電機(jī)變流器存在本質(zhì)區(qū)別，所以SRG的功率變換器自成一系[4, 7-8]。

目前，已出現(xiàn)的SRG功率變換器中，應(yīng)用最廣泛的為不對(duì)稱(chēng)半橋結(jié)構(gòu)的功率變換器拓?fù)鋄9-11]，其缺點(diǎn)之一為開(kāi)關(guān)管用量（2，為相繞組數(shù)）大，增加了開(kāi)關(guān)損耗和控制復(fù)雜度，降低了可靠性。為了減少開(kāi)關(guān)管用量，出現(xiàn)了共上管功率變換器拓?fù)鋄1, 12-13]，主開(kāi)關(guān)用量為1.5。

近年來(lái)出現(xiàn)的基于可變勵(lì)磁電壓的功率變換器[13-15]，在功率變換器主電路上增加了勵(lì)磁電路，但勵(lì)磁電路所需開(kāi)關(guān)管數(shù)量仍然較多，甚至還需要隔離變壓器或因不共地增加其他部件，增大了功率變換器的體積、質(zhì)量、成本及損耗，削弱了變勵(lì)磁本身帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。所以，發(fā)揮SR電機(jī)本體優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效率、低損耗的變勵(lì)磁功率變換器是SRG系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

在SRG控制方面，提高SRG發(fā)電效率和效益，尤其是變速風(fēng)電工況下的最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）控制性能等，成為研究的重要方向之一[8, 13-17]。但是，常用的不對(duì)稱(chēng)半橋結(jié)構(gòu)功率變換器在基礎(chǔ)控制性能提升方面，技術(shù)上到越來(lái)越多的瓶頸。當(dāng)前，針對(duì)應(yīng)用新型可變勵(lì)磁功率變換器提升SRG控制性能的研究已獲得一些成果[13-15]，但存在變量多、控制過(guò)程復(fù)雜，以及功率變換器開(kāi)關(guān)管較多或需要隔離環(huán)節(jié)等缺點(diǎn)。其中，文獻(xiàn)[13]提出的基于變勵(lì)磁共上管功率變換器和勵(lì)磁電壓擾動(dòng)法的SRG風(fēng)電MPPT控制在簡(jiǎn)易化方面取得了一定的進(jìn)展。

本文首先提出一種新型功率變換器，勵(lì)磁電壓可變且無(wú)隔離環(huán)節(jié)，勵(lì)磁電壓與發(fā)電電壓共地并解耦，是目前為止所需電力電子開(kāi)關(guān)管數(shù)量最少的功率變換器，在分析該新型功率變換器工作過(guò)程的基礎(chǔ)上，針對(duì)風(fēng)電工況下的MPPT需求，改進(jìn)勵(lì)磁電壓擾動(dòng)法作為控制方法，并與基于共上管功率變換器的SRG系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，最后經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該功率變換器的有效性。

1 功率變換器

SRG系統(tǒng)中最常見(jiàn)的功率變換器結(jié)構(gòu)為不對(duì)稱(chēng)半橋結(jié)構(gòu)，如圖1所示[1]。

圖1 不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換器

圖2 共上管功率變換器

圖2為他勵(lì)型共上管功率變換器，文獻(xiàn)[13]采用此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并結(jié)合變勵(lì)磁電壓電路構(gòu)成SRG功率變換器。該功率變換器中的開(kāi)關(guān)管K1和K4相對(duì)其余四只開(kāi)關(guān)管，需承擔(dān)兩倍的工作量，開(kāi)關(guān)工作不均衡。

本文提出新型最少開(kāi)關(guān)功率變換器，其主電路實(shí)現(xiàn)了所用主開(kāi)關(guān)管和主二極管數(shù)量均等于繞組數(shù)，相對(duì)于不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換器，開(kāi)關(guān)管用量減少50%。最少開(kāi)關(guān)功率變換器主電路如圖3所示[18]。

圖3 最少開(kāi)關(guān)功率變換器主電路

以M相繞組為例，勵(lì)磁時(shí)，開(kāi)關(guān)管K1和K2閉合導(dǎo)通，進(jìn)入發(fā)電階段時(shí)，斷開(kāi)K1和K2，M相繞組續(xù)流發(fā)電輸出。對(duì)于四相SRG，四只開(kāi)關(guān)管工作均衡。

圖4 可變勵(lì)磁最少開(kāi)關(guān)功率變換器

1.1 最少開(kāi)關(guān)功率變換器主電路分析

以M相為例，主電路工作過(guò)程如圖5所示。

根據(jù)SRG實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)子位置信息，當(dāng)相繞組M需投入工作時(shí)，首先開(kāi)關(guān)管K1和K2閉合導(dǎo)通，勵(lì)磁電流沿K1→M→K2給相繞組M勵(lì)磁，此為勵(lì)磁階段，如圖5（a）所示。勵(lì)磁階段結(jié)束時(shí)關(guān)斷K1和K2，電流沿VD1→M→VD2輸出電能，此為發(fā)電階段，如圖5（b）所示。其余相繞組工作過(guò)程與M相繞組類(lèi)似。

圖5 主電路工作過(guò)程（以M相為例）

根據(jù)SRG工作原理及圖4和圖5可見(jiàn)，每只開(kāi)關(guān)管和二極管均分別為兩相繞組的勵(lì)磁和發(fā)電提供通路，相對(duì)不對(duì)稱(chēng)半橋式結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)管和二極管的利用率均提升了一倍。

圖6 四相SRG各相繞組電感及其導(dǎo)通順序

由圖1～圖6，以及不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換器、共上管功率變換器和新型最少開(kāi)關(guān)功率變換器主電路工作原理可知，它們的勵(lì)磁階段、發(fā)電階段及換相過(guò)程極其相似，但開(kāi)關(guān)管用量依次減少，且保留了傳統(tǒng)功率變換器在SRG運(yùn)行控制中的多數(shù)優(yōu)點(diǎn)。

1.2 最少開(kāi)關(guān)功率變換器勵(lì)磁電路分析

勵(lì)磁電路根據(jù)文獻(xiàn)[19]提出的準(zhǔn)cuk變換器結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來(lái)，依據(jù)開(kāi)關(guān)管K5的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將工作過(guò)程分為兩種模式。勵(lì)磁電路工作模式如圖7所示。

開(kāi)關(guān)管K5的PWM占空比需始終大于0.5[19]，當(dāng)K5閉合導(dǎo)通時(shí)，二極管VD5截止，電感1和2被充電，電容器3放電，此時(shí)1和3的電壓和電流都相等，如圖7（a）所示。當(dāng)K5斷開(kāi)時(shí)，VD5導(dǎo)通，1和2放電，3被充電，如圖7（b）所示。

圖7 勵(lì)磁電路工作模式

2 基于勵(lì)磁電壓擾動(dòng)的控制策略

擾動(dòng)觀察法是SRG變速風(fēng)電MPPT控制中一種無(wú)需測(cè)量風(fēng)速的方法，主要通過(guò)施加轉(zhuǎn)速信號(hào)擾動(dòng)，在面對(duì)頻繁的風(fēng)速變化時(shí)，反應(yīng)慢、誤差大。后來(lái)出現(xiàn)了勵(lì)磁電流擾動(dòng)法，但其模型復(fù)雜且只能在勵(lì)磁階段間接控制相電流。本文應(yīng)用最新的勵(lì)磁電壓擾動(dòng)策略并加以改進(jìn)。

根據(jù)貝茲證明，勵(lì)磁電壓擾動(dòng)法的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率-轉(zhuǎn)速變化關(guān)系如圖8所示，功率-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)表現(xiàn)為凸函數(shù)，故必存在最大功率點(diǎn)。勵(lì)磁電壓添加擾動(dòng)量后，根據(jù)檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)速和功率變化，決定下一步勵(lì)磁電壓的擾動(dòng)量方向和大小。如果擾動(dòng)后檢測(cè)到輸出功率增加，說(shuō)明勵(lì)磁電壓的擾動(dòng)量的方向是正確的；如果轉(zhuǎn)速增大，表明此時(shí)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率大于SRG的輸出功率。假設(shè)在時(shí)刻施加一個(gè)勵(lì)磁電壓擾動(dòng)量后，出現(xiàn)以上兩種情況，都需要在+l時(shí)刻增加勵(lì)磁電壓，從而增大勵(lì)磁電流并增大輸出功率；如果+l時(shí)刻檢測(cè)到SRG的轉(zhuǎn)速和輸出功率均比時(shí)刻的值減小，則表明勵(lì)磁電壓應(yīng)向相反方向調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速增大，從而維持系統(tǒng)的運(yùn)行并增加輸出功率。

圖8 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率-轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

勵(lì)磁電壓變化公式為

系數(shù)根據(jù)擾動(dòng)時(shí)功率變化量的不同而不同，距離最大功率點(diǎn)越遠(yuǎn)，擾動(dòng)后功率變化量越大，則取較大值，反之取較小值，當(dāng)接近最大功率時(shí)，采用較小的值。由于擾動(dòng)后功率和轉(zhuǎn)速都降低，需要反向擾動(dòng)，為避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，反向擾動(dòng)值需要更大，從而能快速進(jìn)入正向追蹤，所以值應(yīng)明顯大于1。

功率變換系統(tǒng)所需的信息控制器收集實(shí)時(shí)勵(lì)磁電壓、發(fā)電電壓、輸出功率及轉(zhuǎn)子位置和速度等信息，結(jié)合發(fā)電輸出端的給定需求，輸出針對(duì)全部五個(gè)可控開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)。SRG風(fēng)電系統(tǒng)控制原理如圖9所示。

圖9 SRG風(fēng)電系統(tǒng)控制原理

3 仿真分析

首先，針對(duì)新型功率變換器和共上管功率變換器主電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 主電路仿真結(jié)果

圖10（a）和圖10（b）分別為低速、高速時(shí)，針對(duì)一相繞組，開(kāi)關(guān)角和勵(lì)磁電壓相等時(shí)的仿真結(jié)果，可以看出，最少開(kāi)關(guān)功率變換器與共上管功率變換器幾乎無(wú)差別。勵(lì)磁時(shí)當(dāng)相電流超上限值后，迅速調(diào)低K5的占空比以降低勵(lì)磁電壓，進(jìn)而使相電流降低。勵(lì)磁電路仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 勵(lì)磁電路仿真結(jié)果

基于變速風(fēng)電工況，設(shè)置風(fēng)速為6m/s時(shí)啟動(dòng)，考慮風(fēng)速階躍上升、漸變、負(fù)載階躍、風(fēng)速階躍下降幾種情況，變速仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 變速仿真結(jié)果

圖12（a）為風(fēng)速變化情況，其中12s時(shí)突加負(fù)載，將原本負(fù)載電阻100W增加到120W。從圖12（b）可見(jiàn)，在啟動(dòng)、風(fēng)速變化、負(fù)載變化時(shí)的超調(diào)、穩(wěn)定所需時(shí)間，以及穩(wěn)定后功率值等方面，最少開(kāi)關(guān)功率變換器與共上管功率變換器的差別很小。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在已有SRG系統(tǒng)專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖13所示。

功率變換器1為共上管功率變換器及其信息控制器，功率變換器2為最少開(kāi)關(guān)功率變換器及其信息控制器。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模擬風(fēng)速，由控制器及上位機(jī)對(duì)其控制，即輸入預(yù)模擬的風(fēng)力曲線(xiàn)后，上位機(jī)讀取測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值，再通過(guò)控制器來(lái)調(diào)整直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其符合風(fēng)力機(jī)曲線(xiàn)。其他相關(guān)參量與仿真時(shí)相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖14 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出的最少開(kāi)關(guān)功率變換器總主開(kāi)關(guān)管和總主二極管用量均為+1個(gè)，是目前SRG變勵(lì)磁功率變換系統(tǒng)領(lǐng)域中功率開(kāi)關(guān)器件用量最少的拓?fù)渲?，在提升變換效率的同時(shí)，降低了開(kāi)關(guān)損耗、控制復(fù)雜度和系統(tǒng)成本。同時(shí)，變勵(lì)磁時(shí)無(wú)需隔離變壓器，勵(lì)磁電壓與發(fā)電電壓解耦且共地，可進(jìn)一步減少損耗和成本。針對(duì)風(fēng)電工況，提出了改進(jìn)型勵(lì)磁電壓擾動(dòng)控制策略，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)，與共上管功率變換器進(jìn)行比較，在MPPT控制性能方面，新型功率變換器使發(fā)電輸出功率增加1.5%以上，在中小功率等級(jí)領(lǐng)域具有一定的實(shí)際意義，尤其是面向直流微電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。

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A novel power conversion system and its maximum power point tracking control for switched reluctance wind turbine

ZHAO Zifan1SUN Guanqun1YANG Jianqing2LU Yanyan2ZHOU Zhiwen2

(1. College of Modern Science and Technology, China JILIANG University, Yiwu, Zhejiang 322002;2. State Grid Corporation of China Xinjiang Comprehensive Energy Service Co., Ltd, Urumqi 830011)

A new type of switched reluctance generator (SRG) power converter with variable excitation voltage and the minimum number of switching tubes to date is proposed. The power converter consists of a main circuit and an excitation circuit. The main circuit requires a number of main switching tubes equal to the number of SRG phase windings, while the excitation circuit requires only one main switching tube. The excitation voltage is decoupled from the generation voltage and can be controlled independently. The excitation circuit has no isolation links and is common to the main circuit. The operating principle and control process of the new power converter are analyzed. A maximum power point tracking (MPPT) control method for the SRG based on this new power converter is proposed for variable speed wind power generation applications, and an excitation voltage disturbance control strategy is given. A 750W SRG prototype system is simulated and experimented, and compared with the SRG wind power MPPT based on a power converter with shared upper switching tubes. The results show a 1.5% increase in SRG output power based on this new variable excitation minimum switches power converter. The effectiveness of this new power converter is confirmed.

switched reluctance generator (SRG); power converter with minimum number of switches; main circuit; excitation circuit; variable excitation voltage; maximum power point tracking (MPPT) control

2023-11-14

2023-01-03

趙紫帆（2001—），女，山西省陽(yáng)泉市人，碩士研究生，主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)研究。

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY20E070006）