摘 要：为准确地控制发电机的电磁转矩、满足风力发电机组最大功率点跟踪运行要求，提出一种横向磁通开关磁阻发电机转矩控制第略。采用相功率变换器构建励磁与升压斩波电路，可在整个变速运行范围内有效地控制绕组电流的幅值和波形。该变换器通过直流母线与三相逆变器相连，即可构成完整的变速恒频风力发电琦率变换装置。样机实验结果表明：采用该方法的风电系统能够将绕组电流限制在±0．5A域值范围内。从而在转矩／功率控制精度、运行平稳性和直流母线电压纹波等性能上比传统系统更为优越。
关键词：风力发电；变速恒频；磁阻电机；斩波控制
开关磁阻发电机(switched teluctance genera-tor，SRG)及其变流器结构简单、坚固，制造成本低，运行可靠性高，便于保护，这些优良特性使它非常适合于工作环境复杂、恶劣的风力发电系统。如果进一步采用横向磁通结构的SRG，则即使在很低的转速下也能发生较大的电磁转矩，因而可省去升速齿轮箱，实现直驱发电。
SRG绕组中的电流具有单方向、周期性脉冲特征：在电流变化的1个周期内，可分为励磁和发电2个时间段。传统的SRG仅对励磁期间的电流进行限幅斩波控制，而一旦励磁结束，绕组电流将自动进入反压续流状态，向直流母线馈电。在发电期间，发电机的绕组电流和电磁功率处于失控状态，只能预先改变励磁关断时刻加以调节。这种功率调节方法较为粗略，难以满足变速恒频风力发电系统跟踪最大功率点运行的要求。
采用开关角度优化与软励磁相结合的办法可在发电机的低速运行段，对绕组电流进行幅值控制。如果使用额外的电流控制电路，例如再生式功率变换器，同样可以控制绕组电流的幅值。然而，上述这些方法都没有在全速范围内实现绕组电流的完全控制。
为解决传统SRG在发电期间的电流失控问题，本文提出一种升压型SRG运行与控制模式。基本思想是使相功率变换器中的直流母线电压恒高于发电机绕组中的运动电势，只有在运动电势与变压器电势之和超出母线电压时，发电机才向其注入电流，否则升压电路利用运动电势提升绕组电流，增加绕组中的磁场储能。分析与实验表明：该方法能够准确控制发电机绕组电流的幅值和波形，使SRG风电系统的转矩控制精度得到明显地改善。
l 理论分析
1．1 变速风力机的控制要求
由空气动力学可知,风力机的输出功率P一般与风速u、风轮转速和桨叶的桨距角β有关，即
式中：ρ为空气密度;S为风轮扫风面积;叶尖速比λ=ωR/υ，ω为风轮转速；R为风轮半径；v为风速；Cp(λ，β)为风力机的风能利用系数。
当风速低于额定值时，应使风力机尽量捕获风能，此时桨叶的桨距角固定在接近于零度的位置。为使风力机的风能利用系数维持在较高的水平，从而捕获最大的风能，应保持叶尖速比基本不变，一般可通过动态调节发电机的电磁转矩，闭环控制风轮转速，所以，在整个变速运行范围内，发电机电磁转矩的控制精度对于风力机跟踪最大功率点运行影响极大。
1．2 升压型SRG运行分析
SRG的相功率变换器主电路如图1所示。由第k相绕组Lk构成的不对称半桥电路中：T1、T2为可控主开关器件；D1、D2是续流二级管；而us为开关磁阻电机在自励模式下的起励电源。在系统直流侧电容电压udc稳定后，电路将由二极管D断开，电容Cdc为直流母线的储能电容。
传统的SRG绕组电流控制多采用角度或斩波控制方法：转子进入励磁期间时，开关管T1和T2同时导通，在直流母线电压udc的作用下，绕组电流开始上升建立磁场。当绕组电流超过给定值，Irel时，T1和T2同时关断，绕组电流进入反压续流状态，电流开始下降，绕组将过剩的磁场储能返还给电网。如采用滞环控制，则可以将绕组电流稳定在Iref附近。当转子位置超过励磁终止角θoff时，T1和T2同时关断，绕组电流进入反压续流状态，此时由于绕组电感对转角的变化率dL／dθ<0，发电机将机械能转换为电能。绕组电流的变化趋势取决于运动电势em=ωi(dL/dθ)的大小：如果em>udc，绕组电流继续上升，反之绕组电流下降。当续流过程结束后，绕组电流处于截止状态。该数学模型可用电机第k相的2值逻辑开关函数Sk表示为
其中：T1和T2同时导通时Sk=1；T1和T2同时关断时Sk=-1；em为绕组中的运动电势；ef为绕组中的变压器电动势；△u为开关管或续流二级管导通管压降。
而ik产生的电磁转矩则是第k相绕组电流和转子位置角的函数。在理想线性模型下的转矩为
显然，在角度或斩波控制方式中，发电期间绕组电流处于不加控制的反压续流状态。唯一对它有影响的只是励磁结束角和该时刻的绕组电流初值。这使得绕组电流与电磁转矩的控制呈现严重的非线性特征，导致风力机和电机转速以及直流母线电压都会发生较大的波动。
在SRG发电期间，如果对绕组电流继续进行滞环控制，则有可能使电流波形接近理想的方波形式。实现这一控制目标的关键是必须建立适当的绕组电流上升与下降机制。当绕组电流小于给定值Iref时，有2种方法提升绕组电流：1)同时开通开关管T1和T2，绕组电流在同方向的udc和em共同作用下迅速上升。此时流向直流母线的充电电流为负值;2)只开通T1，而T2保持关断，绕组电流在em的作用下上升，但上升速度稍慢。显然，这时的充电电流为0。比较上述2种提升绕组电流的方法可知，前一种方法同时将直流母线和电机发电的能量补充绕组的磁场储能，而后一种方法仅把电机发电的能量补充绕组的磁场储能，因而它们对绕组充电所需的时间有所不同。当绕组电流超过给定值Iref时，需要使绕组电流逐步下降。由前面传统控制方式中电流失控的分析可知，只要保证在任意时刻，运动电势都不超过直流母线电压，即：em<udc,那么只需同时关断开关管T1和T2，绕组电流必然进入逐步衰减的反压续流过程。
为了完整描述上述全速范围内电流控制，不妨将式(2)中开关函数Sk拓展为一个3值开关函数：
控制方法可以描述如下。
1)当进入导通区间时，上下桥臂主开关器件T1和T2均导通，发电机处于励磁状态。直至相电流达到斩波控制限Iref,T1关断，等待下一个开通区间，T2则处于临时关断状态。此时的励磁电流回路由T1、T2管和电机相绕组、直流侧电容电压udc构成。
2)T1、T2管关断后为斩波控制与续流发电阶段。如图2所示：第k相功率变换电路中主开关管T2、续流二极管D1、D2与直流侧电容、负载实际上构成了一个Boost升压斩波回路。当相电流低于Iref时，T2导通，由T2、D2和电机相绕组构成一个励磁电流回路。由于电机相绕组电阻很小，近似短路状态的绕组回路中将由运动电势产生很大的短路电流，从而将相电流拉升至斩波限Iref。
3)当相电流高于，Iref时，则关断开关管T2，绕组将由上下桥臂的续流二极管构成续流发电状态。此时，升压斩波等效电路参数应能保证电机绕组相电流在反压作用下减小，直至低于Iref。此刻应判断该相绕组是否还处于电感下降区。若仍处在发电状态，则重复步骤2的操作，否则进入截至状态。
1．3 电路参数的选择
由上述分析不难看出，斩波电路在整个变速运行区域内实现电流控制的关键在于参数的选择。
控制阶段3中，升压斩波等效电路的绕组中运动电势如果小于直流母线电压，绕组电流下降，进入受控发电状态，若运动电势大于直流母线电压，则会出现即使开关管T2关断，相电流仍高于Iref并继续上升的不可控状态；因此，为达到控制电流的目，udc应高于SRC可能过载范围内最大负载电流所产生的运动电势。
图2中斩波电路原边等效电势为电机的运动电动势em，因此，发电控制阶段的电流变化率实际上取决于电机的容量和转速。综合考虑发电机功率控制特性与斩波电路参数，可以得到该阶段满足电流调节要求的条件;同理，还可依据直流母线电压与运动势大小关系来对发电机相电流特性进行分析。
其中：Pmax、imax与ωmax分别表示开关磁阻电机在允许过载范围内的最大电磁功率、相电流与转速；L为电机绕组的相电感。
在整个变速范围内求解式(5)，即可得到直流母线电压的取值范围。对于接有网侧逆变器的风力发电机系统，母线电压应结合网侧变流器电网要求及励磁时间要求(直流升压斩波电路的最大占空比)进行综合考虑。电容参数应以直流母线的纹波最大允许值为限，可依据网侧逆变器来确定。由于绕组电流在斩波和发电过程中均处于连续模式，电路参数自然满足升压斩波电路最小电感参数的要求。
开关角θon、θoff应根据SRG的控制特点来选择：如在电感下降区域导通励磁，相电流将在em和udc共同作用下快速上升，容易获得较短的励磁时间，但会缩短斩波发电区域，影响有功功率的输出；所以，导通角θon与θoff间的励磁区域应位于最大电感范围内。这需要在SRG设计之初就进行考虑。可控发电阶段的结束点可以定义为最小电感范围的起点。
2 控制系统设计
开关磁阻风力发电机系统由SRG以相及功率变换器和网侧逆变器组成的交直交变流器系统构成。功率变换器不对称半桥电路向SRG提供励磁并承担发电机的功率控制。网侧变流器作为发电机系统与电网的电力电子界面，满足电网对输入电能的电压、频率、功率因数和谐波畸变因数要求。
2．1 功率变换器电流斩波控制
在导通角和关断角θon、θoff确定情况下，电流斩波控制是通过开关器件T2的控制来实现的。即通过控制器产生的开关信号控制T2多次导通和关断，将负载电流限制在给定的上下限制之间，并借此控制输出功率。为此，可依据输出功率构造PI调节器来确定电路的电流斩波控制指令Irel，与实际电流信号I进行比较后，两者的偏差作为滞环比较器输入。该控制框图如图3所示。
2．2 网侧变流器矢量控制
通过控制网侧三相电压型逆变器的有功和无功功率分量可以实现稳定直流母线电压与交流侧受控功率因数(如单位功率因数)的目的。当电网电压恒定时，上述控制可以分别通过控制两相同步旋转坐标系下的直轴与交轴电流分量实现；当同步旋转坐标系的直轴与电网A相电压重合时，变流器的输出有功和无功功率分量分别为P=udid、Q=udiq,即控制直轴电流可以控制输出的有功功率，控制直轴电流可以控制输出的无功功率。
3 实验结果
为验证上述方法，利用一台4相模块结构的15极横向磁场开关磁阻发电机进行了仿真与实验研究，针对整个系统的动静态性能进行了分析。实验样机参数为：直流母线电压udc=36 V；额定转速200r／min最大电感32．0mH；最小电感12．0mH。电机极型参数中，βs=8．4°、βr=10．8°。
图4给出了额定点稳态运行时，通过励磁开关关断角度控制和升压斩波控制方法得到的电机绕组电流仿真波形I1、I2,图中斩波控制所得电流I2波动被限制在±0．5A。由式(3)分析可知，斩波控制对于发电机的功率控制更为准确。
图5给出了系统稳态(实验电流指令为17．5A)与动态响应的实验结果。电机首先由额定转速、负载状态运行，在维持转速不变情况下负载减半；然后维持负载不变将转速由额定转速将至半速运行；待运行平稳后，转速恢复至额定转速；最后负载增加至额定值。图中调节器的调整表明PI控制器较好地实现了对于直流母线电压的控制。
4 结 论
针对开关磁阻风力发电机的特点，本文提出了一种基于相功率变换器构建励磁和升压斩波控制电路，并根据系统容量和转速要求选择电路参数，实现全速范围内SRG绕组电流幅值和波形的滞环控制，满足风力发电机组跟踪最大功率运行点要求的SRG转矩控制策略。系统稳态和动态仿真和实验研究结果表明；该方法较传统的SRG控制具有更好的动态调节性能，能够通过电流斩波控制有效地调节发电机的转速和输出功率，准确地实现变速风力发电机的控制策略。
