基于開關磁阻電動機的風力機模擬研究.pdf

1、在風力發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)過程中，需要使用風力機模擬器驅動發(fā)電機，以測試發(fā)電機和并網裝置在不同風速條件下的響應性能。研發(fā)精確、經濟的風力機特性模擬技術，對于推動風力發(fā)電機技術的開發(fā)和應用具有十分重要的意義。
　　 實驗室環(huán)境下的風力機模擬器都是由伺服電動機制成的，其對電動機的要求是：具備寬廣的調速范圍、良好的動態(tài)轉速和轉矩特性、較高的運行效率和可靠性，并且易于控制。目前，風力模擬器采用的電動機類型有直流電動機、異步電動機或者永磁同步電動

2、機。直流電動機帶有電刷和滑環(huán)，維護量大，可靠性較差，不適合應用于大功率風力機的模擬。異步電動機矢量控制復雜，控制精度受變化的轉子參數(shù)影響較大，并且低速運行時電機出力小，容易振蕩和不穩(wěn)定。而永磁同步電動機的制造成本則比較高，且存在退磁問題。
　　 開關磁阻電動機(Switched Reluctance motor，簡稱SRM)是近年來開發(fā)成功的新型電動機，其優(yōu)點是：調速范圍寬，運行效率高；電機轉子結構簡單堅固，功率變換器無直通隱患

3、，可靠性高；低速時出力大，有良好的轉矩/轉動慣量比；控制方式靈活，通過合理的控制，可以實現(xiàn)與直流電動機類似的轉矩-轉速特性。這些優(yōu)勢使得SRM很適合用于風力機模擬器，但目前還沒有SRM用于風力機模擬器的研究報道。
　　 本文研究使用SRM的風力機特性模擬技術。對轉速調節(jié)模擬方法及其模擬誤差模型、基于模糊PI調節(jié)器的SRM轉速控制法、SRM的直接轉矩控制方法進行了較為深入、全面的探討，并開發(fā)了實用的使用SRM的風力機模擬器。主要內

4、容有：
　　 1.對目前國內外的風力機特性模擬的研究現(xiàn)狀進行了分析總結。探討了SRM應用于風力機特性模擬的可能性，并提出了SRM相對于其它風力機模擬系統(tǒng)的優(yōu)勢。
　　 2.提出一種在軟件模擬器中數(shù)值求解風力機系統(tǒng)微分方程，控制伺服電動機實時調速跟蹤的風力機模擬技術。在時域上建立轉速調節(jié)模擬風力機特性的誤差模型，分析模擬步長和轉速對風力機特性模擬誤差的影響，提出在風力機軟件模擬器中以四階龍格庫塔方法實時求解系統(tǒng)微分方程，以

5、降低模擬誤差。
　　 3.設計了SRM模糊PI調節(jié)器，克服SRM雙凸極結構和飽和非線性帶來的建模困難，進行轉速的動態(tài)平滑調節(jié)。以開關磁阻電動機準線性模型為基礎，將SRD(Switched Reluctance motor Drive，開關磁阻電動機調速系統(tǒng))整定成典型Ⅱ型系統(tǒng)以確定模擬步長。轉速偏差大時模糊調節(jié)器工作，轉速偏差小時PI調節(jié)器作用，以消除穩(wěn)態(tài)偏差。進行了風力機模擬系統(tǒng)單步長轉速模擬的數(shù)字仿真，結果表明模糊PI調節(jié)器

6、相比常規(guī)PID調節(jié)器具備更好的轉速跟蹤性能。
　　 4.研究了一種基于SRM直接轉矩控制(Direct Torque control，DTC)的風力機轉矩模擬技術。依據風力機和模擬系統(tǒng)的機械方程，推導出轉矩調節(jié)模擬風力機的轉動慣量補償方法，以實現(xiàn)風力機動態(tài)模擬。實時軟件模擬器中執(zhí)行風力機模型，并以轉矩指令控制SRM實時跟蹤輸出參考轉矩，SRM采用直接轉矩控制策略調節(jié)轉矩。
　　 5.開發(fā)了一種轉矩磁鏈雙滯環(huán)控制的開關磁阻

7、電動機DTC算法。基于SRM近似轉矩模型和試驗測定的磁化及轉矩特性數(shù)據，采用轉矩磁鏈雙滯環(huán)控制策略，直接控制SRM的轉矩，實現(xiàn)使用SRM的風力機特性轉矩調節(jié)模擬。SRM雙滯環(huán)控制借鑒異步電機的直接轉矩控制策略，對SRM磁鏈矢量實時空間定位，根據參考磁鏈和轉矩幅值，選擇控制電壓矢量。采用雙位式砰砰控制，原理簡單，魯棒性強。Simulink仿真結果驗證了轉矩磁鏈雙滯環(huán)控制的SRM轉矩跟蹤的有效性，相比SRM的電流斬波控制，SRM直接轉矩控制

8、顯著減小了轉矩脈動。
　　 6.分別建立了風力機與風力機模擬系統(tǒng)小信號線性化模型，對風力機特性的轉速調節(jié)模擬方案與轉矩調節(jié)模擬方案在頻域上進行研究分析，建立模擬誤差的頻域特性模型，結合輸入風速的Van der Hoven模型功率譜特性，比較兩種模擬方案的頻域動態(tài)誤差特性。
　　 7.建立了開關磁阻電動機驅動直流發(fā)電機的風電系統(tǒng)模擬試驗平臺，設計了一套基于10kW開關磁阻電動機的風力機模擬器。轉速調節(jié)模擬試驗中，上位機軟件

9、根據風速輸入和傳感器的負載轉矩值進行風力機特性模擬計算，通過串口向電機控制器傳送轉速指令，由模糊PI控制器進行實時轉速調節(jié)。在風力機特性的轉矩模擬試驗中，測量了開關磁阻電動機的磁鏈-電流-位置角特性數(shù)據，并通過三次樣條函數(shù)插值，對電流i積分和對位置角θ的微分運算，獲取SRM的轉矩-電流-位置角特性表格，用于開關磁阻電動機DTC控制。以14kW直流發(fā)電機為風力機模擬器負載，采用直接轉速控制策略，調節(jié)直流發(fā)電機勵磁，對風力機模擬器進行最大風