一種高速SRG功率變換器及其CCM風(fēng)電控制

摘要：提出一種無主開關(guān)管的新型開關(guān)磁阻發(fā)電機（SRG）功率變換器拓撲，在高速運行和連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下分析其勵磁和發(fā)電兩階段工作過程，并與通過開關(guān)角控制的經(jīng)典不對稱半橋功率變換器進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者的勵磁和發(fā)電工作過程基本相同。進一步通過仿真和實驗，獲得新型功率變換器在高速CCM時的相電壓、相電流等結(jié)果與理論分析相吻合，并獲得轉(zhuǎn)速、勵磁電壓、發(fā)電電壓、功率四者的約束關(guān)系，從而優(yōu)化輸出功率時可采用調(diào)節(jié)勵磁電壓和發(fā)電電壓的方式，相比于不對稱半橋功率變換器，兩者的發(fā)電輸出能力相當(dāng)。最后，以變速風(fēng)電應(yīng)用為例，給出控制策略，無需轉(zhuǎn)子位置檢測和風(fēng)速檢測，基速以上無槳距角調(diào)節(jié)，證實了所提新型功率變換器及其控制策略在高速CCM運行時的有效性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；開關(guān)磁阻發(fā)電機；功率變換器；無開關(guān)管；連續(xù)導(dǎo)通模式；控制策略

中圖分類號：TM352文獻標(biāo)志碼：A

0引言

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前廣泛運用的清潔能源發(fā)電方式之一，相比陸上風(fēng)力發(fā)電，海上風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)速更為穩(wěn)定，而且海上風(fēng)電采用直流方式匯聚與傳輸，較為經(jīng)濟。微電網(wǎng)大多采用直流輸電，因此風(fēng)電與微電網(wǎng)結(jié)合中，風(fēng)力發(fā)電直接輸出直流電的研究將非常有意義1-4]。開關(guān)磁阻電機（switchedreluctance motor，簡稱SR電機）的結(jié)構(gòu)極其簡單堅固，其轉(zhuǎn)子僅由帶有凹凸槽的鐵心與中心軸組成，因轉(zhuǎn)子上無永磁體，所以耐高溫高速、可靠性高、維護方便。SR電機作為發(fā)電機運行時，可直接發(fā)出直流電，作為海上直流輸電和直流微電網(wǎng)的發(fā)電電源時省去了整流環(huán)節(jié)。但是，開關(guān)磁阻發(fā)電機（switched reluctance generator，SRG）用于風(fēng)電的工程化應(yīng)用當(dāng)前還處于試驗性階段。SRG的運行極大地依賴于功率變換器及其控制系統(tǒng)，可以說，功率變換器和SRG是一體的，其直接決定SRG的運行和性能提升5-71。

高速運行的SRG可顯示出其優(yōu)越性，但目前的SRG功率變換器幾乎都帶有開關(guān)管，且高速時采用角度位置控制方式。目前大多采用位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子實時位置，這對位置傳感器提出了更高要求，增加了新型傳感器和檢測裝置的技術(shù)壓力和成本?；诖?，取消位置傳感器后的SRG系統(tǒng)控制問題成為研究課題之一8-1，但當(dāng)前關(guān)于無位置傳感器的SR電機系統(tǒng)本質(zhì)上還是通過非實體傳感器即模擬傳感器的方式，也就是通過對實時電參量的快速檢測獲取實時轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)速越高勢必對檢測速度的要求越高，同時由于高轉(zhuǎn)速下電流脈動率降低，對檢測精度也提出了更高要求，所以本質(zhì)上控制方式還是對轉(zhuǎn)子位置的控制。為了從根本上避開位置檢測帶來的問題，業(yè)界出現(xiàn)了通過改變勵磁電源的方式，即把勵磁電壓作為變量調(diào)節(jié)功率輸出，近年來已出現(xiàn)一些變勵磁電壓的SRG控制實例[12-14]，為SRG系統(tǒng)的發(fā)展開辟了一個新路徑。但是，在高速尤其超高速場合，這種利用勵磁電壓間接調(diào)節(jié)相電流的模式會出現(xiàn)反應(yīng)速度相對滯后，甚至無法在超高速時正常控制等問題。因為在傳統(tǒng)模式下，相繞組電流需要在一個勵磁和發(fā)電周期后降至零，每相繞組啟動時電流又從零開始增加，即斷續(xù)運行模式（discontinuous conductionmode，DCM），在越高速度場合，這給功率輸出和控制性能均帶來了挑戰(zhàn)，進而誕生了對連續(xù)導(dǎo)通模式（continuousconductionmode，CCM）的研究[15-19]。Jordison于2004年提出SR電機CCM運行概念，隨后Rekik、Hannoun、Vujicic等也進行相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)CCM運行是高速SRG提高運行性能的重要手段，它可以拓寬恒功率區(qū)范圍、有效降低轉(zhuǎn)矩脈動，但采用經(jīng)典不對稱半橋功率變換器時，考慮到高速運行時運動電動勢超高，存在瞬時相繞組電壓遠遠大于輸出端發(fā)電電壓以及勵磁電壓的可能，并且遠高于SRG額定相電壓，從而對SRG相繞組匝間絕緣提出了較高要求，需要對SRG線圈及絕緣做特殊制造。另外，在變速風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用中，為了在高風(fēng)速期間繼續(xù)發(fā)電運行，往往需要增加變槳距裝置及其控制系統(tǒng)，使得整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制進一步復(fù)雜化。

本文提出一種無開關(guān)管的簡易型SRG功率變換器，其不依賴于轉(zhuǎn)子位置，無需開關(guān)角控制方式，相電壓始終與發(fā)電電壓相等，高速CCM運行模式；分析其工作模式，并進行仿真和實驗；最后結(jié)合變速風(fēng)電應(yīng)用工況，取消槳距角調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，其發(fā)電輸出效果與基于傳統(tǒng)不對稱半橋功率變換器的效果相當(dāng)。

1 SRG功率變換器

1.1功率變換器結(jié)構(gòu)

圖1為經(jīng)典不對稱半橋功率變換器拓撲。不對稱半橋結(jié)構(gòu)下，SRG每相繞組需要兩個開關(guān)管和兩個二極管，勵磁和發(fā)電階段必須經(jīng)兩個開關(guān)管的開關(guān)控制進行，在高速運行時，必須采用更高分辨率的位置傳感器或其他高速電參量檢測方法。

圖2為無開關(guān)管、無傳感器的新型功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)。圖2中只畫出了SRG其中一相繞組（M相繞組）的拓撲結(jié)構(gòu)，各相繞組的拓撲結(jié)構(gòu)相同，并在勵磁電壓U？端并聯(lián)，輸出的發(fā)電電壓U，兩端可并聯(lián)也可串聯(lián)升壓，可見新型功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)極其簡單，勵磁電壓U？經(jīng)過一大電感L連接相繞組，并經(jīng)過一不可控二極管整流橋輸出電能。當(dāng)VD1和VD4或VD2和VD3正向?qū)〞r，相繞組電壓和發(fā)電電壓U相等。無開關(guān)管，意味著無需開關(guān)角控制，勵磁電壓作為其控制變量無需開關(guān)角控制，也就無需位置傳感器，僅需專門的速度傳感器檢測電機速度并反饋。高速運行也無需電流控制器。

1.2工作模式分析

針對圖2所示新型功率變換器結(jié)構(gòu)，SRG首先按照電動機模式起動，此時的勵磁電源（U）作為供電電源給SRG按電動模式供電起動運行，根據(jù)SR電機運行原理起動完成并滿足SRG運轉(zhuǎn)條件后，SR電機投入發(fā)電機工況運行。圖3為基于新型功率變換器下SRG勵磁階段和發(fā)電階段詳細工作過程。

根據(jù)SRG工作原理，由圖3可見，勵磁階段存在兩個回路，分別為：1）U？—L—M—UL，勵磁電源和電感L一起向相繞組M供電勵磁；2）UL—L—VD1—負載—VD4-U，給相繞組M勵磁的同時輸出電能。發(fā)電階段也存在兩個回路，分別為：1）M—VD2—負載—VD3—M，相繞組M將負轉(zhuǎn)矩時吸收的機械能以及作為電感特性儲存的磁能一同轉(zhuǎn)換為電能輸出；2）M—U？—L—M，相繞組M向勵磁電源U？和電感L反饋。可見，勵磁階段電流經(jīng)二極管VD1和VD4，發(fā)電階段電流經(jīng)VD2和VD3均向外輸出，即勵磁和發(fā)電兩階段不間斷電能輸出，打破了勵磁階段沒有輸出的傳統(tǒng)約束。

忽略磁飽和與繞組內(nèi)阻，則SR電機一相繞組的電壓平衡方程為：

式中：Ldi/dt ——變壓器電動勢，與相繞組電感值和相電流變化率呈正比；iwoL/30——運動電動勢，與相電流和轉(zhuǎn)速呈正比，也與相電感變化率呈正比，并且在電感上升和下降時運動電動勢方向相反；w——電機角速度。

高速運行期間，正常情況下運動電動勢絕對值應(yīng)明顯大于發(fā)電電壓絕對值。在勵磁和發(fā)電不同階段，式（1）有不同特點，總感應(yīng)電動勢方向相反，再結(jié)合相繞組電感L變化模型（圖4），在電感上升、下降的不同區(qū)域，運動電動勢方向?qū)l(fā)生改變（電感不變時為零）。結(jié)合圖3所示，式（1）中電壓u實為U，，但勵磁和發(fā)電兩階段方向相反，相電壓波形如圖4所示。根據(jù)式（1）可知，隨著電感的變化，假定發(fā)電電壓U，穩(wěn)定不變，為了維持平衡，相電流i將產(chǎn)生如圖4所示的變化。

高速運行時運動電動勢絕對值大于相電壓u，根據(jù)式（1），為了維持平衡，在電感上升區(qū)相電流必然呈下降趨勢，即變壓器電動勢反向，在電感下降區(qū)相電流則必為上升趨勢。在本文提出的新型功率變換器下，其運行中勵磁階段和發(fā)電階段的劃分由于沒有開關(guān)管而無法主動確定，則需根據(jù)實際相電壓的方向而區(qū)分，同時也是相繞組電能正反方向的分界點。特別注意，這里所說的高速的概念本質(zhì)上是運動電動勢絕對值應(yīng)大于相電壓u這個前提（同時相電流在下降到零之前進入上升階段從而連續(xù)），發(fā)電階段起始時相電流上升，并且發(fā)電階段相電流平均值明顯大于勵磁階段相電流平均值，為SRG高效運行奠定基礎(chǔ)。而對于傳統(tǒng)不對稱半橋結(jié)構(gòu)功率變換器的高速CCM運行時，需要開關(guān)角開關(guān)控制實現(xiàn)勵磁階段和發(fā)電階段的劃分，如圖5所示。

不對稱半橋結(jié)構(gòu)下，基于開關(guān)角調(diào)節(jié)的MPPT控制中，轉(zhuǎn)速越高開通角越?。ㄔ教崆埃?，其CCM模式下開通角相對更小17，甚至提前到電感上升區(qū)域的前半段，在一個周期360°范圍內(nèi)不存在電壓為零的時刻，電流呈近似不規(guī)則的正弦波變化，最低值大于零，這些特點與新型功率變換器類似?？梢姡滦凸β首儞Q器在無開關(guān)管的前提下可自然進入勵磁和發(fā)電兩個不同階段，獲得與經(jīng)典不對稱半橋結(jié)構(gòu)功率變換器相似的相電壓和相電流。

2功率變換器仿真與實驗

對本文所提新型功率變換器做進一步的仿真與實驗分析。仿真與實驗對象相同，參數(shù)相同，目標(biāo)為獲取最大發(fā)電輸出功率并在超過額定時維持額定輸出，SRG為三相6/4結(jié)構(gòu)，重疊系數(shù)K？=0，額定功率為750 W，額定電壓為270 V，圖2中的大電感L為700 mH。圖6為在已有SR電機實驗臺基礎(chǔ)上搭建的SRG新型功率變換器實驗系統(tǒng)。同時進行仿真優(yōu)化，為了便于比較，對傳統(tǒng)不對稱半橋功率變換器的CCM及DCM模式也進行了部分仿真和實驗。其中SR電機的數(shù)學(xué)模型采用基于五磁阻串聯(lián)模式的非線性簡化模型基礎(chǔ)上的相電流波形[18-19]。在新型功率變換器的CCM仿真中，勵磁電壓和轉(zhuǎn)速作為內(nèi)外雙環(huán)，勵磁電壓單位步進0.1 V，轉(zhuǎn)速單位步進1000 r/min，為了捕獲最大功率，勵磁電壓和轉(zhuǎn)速均從最小到最大調(diào)節(jié)，對于不對稱半橋功率變換器，除已有變角度控制，重點進行變勵磁電壓控制，觀測平均功率和相電流有效值，最后分析優(yōu)化出最大功率下的相電流值等參量。

圖7為兩種功率變換器的相關(guān)參量仿真與實驗結(jié)果。圖7a為不對稱半橋結(jié)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速和角度位置時DCM和CCM仿真波形，包括開關(guān)角和相電流有效值，在DCM時磁化時間間隔和磁鏈隨速度的增加而減小，導(dǎo)致相電流有效值減小，而在CCM時，相電流有效值恒定并等于上限值。圖7b為兩種結(jié)構(gòu)功率變換器高速CCM下相電流和相電壓的優(yōu)化仿真和測量結(jié)果，轉(zhuǎn)速n=12000 r/min，仿真與測量值基本吻合，并與圖4和圖5所示理論上的波形形狀高度類似，且功率變換器結(jié)構(gòu)不同，分別采取勵磁電壓和開關(guān)角調(diào)節(jié)的不同控制方式下，能夠產(chǎn)生相同的相電流和相電壓波形，獲得相近的輸出功率。

圖7c為本文所提新型功率變換器和經(jīng)典不對稱半橋結(jié)構(gòu)各自的相繞組最大功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，也包括不對稱半橋功率變換器傳統(tǒng)DCM運行模式。仿真和測量值基本吻合，可見在轉(zhuǎn)速高于11000 r/min之后，不對稱半橋結(jié)構(gòu)功率變換器與新型功率變換器在超高速CCM運行的最大功率值逐漸趨近，而不對稱半橋DCM時相功率下降，這從圖7a中相電流的變化即可看出。各測量值均小于仿真值，源于仿真中忽略了如繞組內(nèi)阻、互感等，實際損耗稍大。

從圖7d可見，勵磁電壓隨轉(zhuǎn)速變化時，勵磁電壓的邊界以相繞組電流有效值不超過限定值為依據(jù)，首先仿真得到額定相電壓和相電流的最佳勵磁電壓和轉(zhuǎn)速，然后通過保持如圖7d所示的3組相電壓與相電流比值恒定（電壓/電流=135），對各組相電壓和相電流的勵磁電壓-轉(zhuǎn)速特性進行優(yōu)化，相應(yīng)的，機械功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系即優(yōu)化后的結(jié)果也如圖7d所示。同時可見，相應(yīng)的測量值與仿真值高度吻合，并將圖7d經(jīng)最小二乘誤差法解算分別得到勵磁電壓和機械功率為：

發(fā)電電壓為：

式（4）說明，當(dāng)轉(zhuǎn)速與機械功率一定時，結(jié)合新型功率變換器即可確定相電壓值，進而根據(jù)式（2）可確定勵磁電壓值，再結(jié)合式（1）可知，相電壓和勵磁電壓的變化決定了相電流的變化。

3變速風(fēng)電控制策略

風(fēng)速變化引起轉(zhuǎn)速變化，不同風(fēng)速存在其最大功率點，并對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速，且呈非線性特征。圖8為不同風(fēng)速時轉(zhuǎn)速與功率之間的關(guān)系，圖中虛線為轉(zhuǎn)速-最大功率曲線。

在變速工況下，針對直流局域電網(wǎng)，將以上新型功率變換器作為風(fēng)力驅(qū)動的SRG功率變換器，采用轉(zhuǎn)速反饋，結(jié)合式（2）～式（4）的優(yōu)化結(jié)論，跟蹤風(fēng)況獲取優(yōu)化的控制策略原理如圖9所示。

風(fēng)力機經(jīng)高變比齒輪連接SRG，轉(zhuǎn)速作為反饋量，無需風(fēng)速測量，根據(jù)圖8所示轉(zhuǎn)速-最大功率曲線，從而根據(jù)反饋轉(zhuǎn)速值n獲得給定功率值P*。功率變換器輸出側(cè)即發(fā)電電壓側(cè)與直流電網(wǎng)之間的發(fā)電DC/DC變換器為一交錯PWM電流饋電推挽變換器，可通過它調(diào)控發(fā)電電壓值即相電壓值。勵磁DC/DC變換器為一降壓型變換器，根據(jù)給定勵磁電壓值采用PWM模式調(diào)節(jié)獲取所需勵磁電壓。

4變速風(fēng)電仿真結(jié)果

SRG相關(guān)參量與前述功率變換器仿真和實驗相同，在傳統(tǒng)風(fēng)速的基速上下范圍內(nèi)均采用統(tǒng)一的控制模式，基速以上無槳距角調(diào)節(jié)。風(fēng)速變化與相關(guān)參量的仿真結(jié)果如圖10所示。

可見，轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，但其他參量不同，在基速以下時，相電壓、勵磁電壓、輸出功率隨風(fēng)速正向變化，但在基速（9.4 m/s）以上時，相電壓、勵磁電壓、輸出功率維持在優(yōu)化的最高點基本不變，相電壓為270 V（SRG額定電壓），輸出功率約為670W，效率約為90%，符合SRG領(lǐng)域高效范圍。

5結(jié)論

SRG直接發(fā)出直流電，無需整流環(huán)節(jié)，如果多個SRG發(fā)電輸出串聯(lián)可獲得直升壓的效果，減少了升壓環(huán)節(jié)，并且取消變槳距裝置后，降低了高速時控制復(fù)雜度，連續(xù)性更強，成本進一步降低。

本文提出的簡易型無開關(guān)管功率變換器，在工作中摒棄了傳統(tǒng)的開關(guān)角控制、位置檢測等環(huán)節(jié)，并簡化了控制系統(tǒng)，工作中相電壓等于發(fā)電電壓，從而調(diào)節(jié)發(fā)電電壓時也調(diào)節(jié)了相電壓，通過對輸入和輸出兩側(cè)的勵磁電壓與發(fā)電電壓的聯(lián)合控制，更靈活地實現(xiàn)了最大功率輸出，與經(jīng)典不對稱半橋功率變換器相比，兩者發(fā)電能力相當(dāng)，而軟硬件結(jié)構(gòu)和控制得到了明顯簡化。

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A POWER CONVERTER FOR HIGH SPEED SRG AND ITS CONTROL OFWIND POWER GENERATION IN CCM

Sun Guanqun，Song Chunwei

（College of Modern Science andTechnology，ChinaJiliangUniversity，Yiwu 322002，China）

Abstract：A switch less power converter topology for SRG is proposed in this paper.Under high-speed operation and continuousconduction mode（CCM），the working process of excitation stage and generation stage of the new power converter is analyzed.Atthesametime，compared with the traditional asymmetrical half-bridge power converter based on the switching angle control，thesameresults of excitation and power generation processes are obtained.Acording to the simulation and experimental results，thephasevoltage and phase current of the new power converter at high speed CCM are consistent with the theoretical analysis.The constraints ofspeed，excitationvoltage，generation voltage and power are obtained，and then the output power can be optimized by adjusting theexcitation voltage and generation voltage.Compared with the asymmetric half-bridge power converter controlled by switching angle，thenew power converter has the same generation capacity.Finally，taking the application of variable speed wind power as an example，thecontrol strategy is given，without rotor position detection and wind speed detection，and without pitch angle adjustment above the basespeed.The simulation results show the effectiveness of the proposed power converter and its control strategy in high-speed CCMoperation.

Keywords：windpower;switched reluctance generator;powerconverter;no switch tube;continuous conduction mode;controlstrategy