CN107979314A - 一种变速开关磁阻风力发电机最大功率跟踪控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种变速开关磁阻风力发电机最大功率跟踪控制方法，始终固定励磁阶段励磁开通角，不采用任何斩波和PWM的开关管控制方式，运行前根据不同转速下进行试验，额定转速以下区间时记录获得最大输出功率对应的励磁关断角和励磁电压，额定转速以上区间时记录获得额定输出功率对应的励磁关断角和励磁电压，从而将各个转速下的励磁关断角和励磁电压对应编列成查询表，系统运行时根据实际转速查询得到励磁关断角和励磁电压作为跟定控制信号；该方法简单易行、损耗低，对开关磁阻发电机变速风电应用具有实际意义。

Description

一种变速开关磁阻风力发电机最大功率跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种利用开关磁阻发电机作为风力发电机的机组系统最大功率跟踪控制的方法。
背景技术
开关磁阻电机结构简单坚固，制造成本低廉，转子上无绕组、无永磁体，可靠性高，具有广阔的应用前景，作为发电机的话更是在宽速度范围内具有高性能表现的实力；基于以上特点，再考虑到当前主流的风力发电机，即双馈异步发电机和永磁同步发电机，结构和控制上都比开关磁阻电机复杂，成本也高，另外，开关磁阻发电机也可以做到直驱而省掉齿轮箱；所以，开关磁阻发电机用于变速风电系统非常具有前途！
在风电行业，风力发电机机组的最大功率点跟踪(MPPT)控制基本是标配，当引入开关磁阻发电机作为风力发电机时，自然少不了对开关磁阻风力发电机组MPPT控制的需要；目前，由于开关磁阻发电机用于风电的研究不多，实例则更少，所以开关磁阻风力发电机机组的MPPT控制研究参考较少。
开关磁阻发电机一般由2-5相绕组置于定子上，根据定转子之间凸极的相对位置决定通电的相绕组，每相绕组工作时一般分为励磁和发电两大阶段，励磁阶段为电机相绕组吸收外来励磁电源的电能储存磁能，后续根据转子相对定子位置结束励磁阶段进入发电阶段，相绕组中储存的磁能转化为电能输出。
开关磁阻发电机目前成熟的控制方式为低速电流斩波和高速角度位置控制的方式，具体控制变量有励磁电压(励磁阶段相绕组电压)、励磁电流(励磁阶段相绕组电流)、发电电压(发电输出端电压)、发电电流(发电输出电流)、输出功率、励磁开通角、励磁关断角等，电流斩波是指调节励磁阶段的励磁电流(或间接通过调节励磁电压)，角度位置控制是指对励磁阶段开始时的励磁开通角时刻的微调，以及励磁阶段结束的励磁关断角的微调；但是电流斩波方式下系统抗负载扰动能力差、电磁噪音大、效率低，如果再使用PWM方式则开关管的开关损耗大，而角度位置控制转矩脉动较大，控制方法复杂；当前国内外主流的开关磁阻风力发电机MPPT控制方法中，基本上多数采用斩波或PWM方式，结合角度位置控制也是主流，虽然单脉波模式(没有斩波或PWM)近年成为研究热点，但同时对励磁开通角和关断角进行控制则更加复杂。
发明内容
根据以上的背景技术，本发明就提出了一种固定励磁开通角、不采用任何斩波和PWM控制方式、仅根据发电机转速反馈值从而给出励磁电压和励磁阶段关断角的控制简单的变速开关磁阻风力发电机最大功率跟踪控制方法。
本发明的技术方案为：
一种变速开关磁阻风力发电机最大功率跟踪控制方法，其技术特征是，固定励磁阶段励磁开通角为转子凸极前沿与定子凸极前沿对齐位置；不采用任何斩波和PWM的开关管控制方式；
在本发明的开关磁阻发电机机组系统投入运行前，对其进行试验，按如下步骤，获取数据查询表；
(1)在开关磁阻发电机额定转速以下时：测试在转速恒定时的获得最大输出功率的励磁阶段关断角和励磁电压值，从而得到不同转速时最大输出功率的励磁关断角和励磁电压的三维数据查询表；
(2)在开关磁阻发电机额定转速以上时：测试在转速恒定时的获得额定输出功率的励磁阶段关断角和励磁电压值，从而得到不同转速时额定输出功率的励磁关断角和励磁电压的三维数据查询表；励磁关断角与励磁电压选取原则是：以最低的励磁电压获取额定输出功率，即在一恒定转速时，先选取励磁电压下限值，调节励磁关断角是否能获取额定输出功率，不能达到额定输出功率，则增加励磁电压，然后再调节励磁关断角，直至获取额定输出功率后记录该转速下的励磁关断角和励磁电压值；
在该开关磁阻发电机机组系统运行中，检测发电机转速，根据转速值进入已有数据查询表中得到励磁关断角和励磁电压值，并作为给定信号控制系统运行。
本发明的技术效果主要有：
(1)固定了励磁开通角，调节变量仅有励磁电压和励磁关断角，可控变量少，降低了控制的复杂度，即加快了系统反应速度，动态性能得到提高；根据开关磁阻发电机数学模型，由于定转子前沿重合开始的位置，正是所在相绕组供电励磁时励磁电流可快速增加开始的位置，励磁开通角如果在此位置上提前，则励磁电流也主要是从这个位置开始快速上升，并且还会带来电动转矩从而不利于发电工况的稳定运行和效率提高，如果励磁开通角在此位置上拖后，则极大的影响励磁电流的增加，若需要控制该励磁电流，完全可通过励磁关断角的调节实现，因此，使励磁开通角以平均最大效益的位置点固定开通，在MPPT控制中具有实际意义。
(2)全域仅有一种控制模式，高中低速适用，根据当前速度值选取对应的励磁电压和励磁关断角给定值，没有复杂的在线运算，加快控制速度的同时也避免了采用两种控制方式时中间过渡引起的波动。
(3)本发明不采用任何斩波和PWM控制方式，降低了开关损耗和电磁噪音，当然也简化了控制复杂度。
(4)本发明的额定转速以上区间在测试选择励磁电压和励磁关断角的原则问题上，是以最小励磁电压获取额定输出功率的原则，因为励磁电压越大，相对的励磁电流变化越快，波动性更强，不利于转矩脉动及系统的稳定性可靠性提高。
附图说明
图1所示为本发明的变速开关磁阻风力发电机最大功率跟踪控制方法实施例的机组系统结构图。
图2所示为开关磁阻发电机的定转子相对位置及电感变化模型。
图3所示为本发明的实施例中的功率变换器主电路结构图。
具体实施方式
本实施例的开关磁阻发电机为四相绕组，按分布于定子上的顺序分别为M/N/P/Q四相绕组；机组结构如附图1所示，风力机驱动开关磁阻发电机，开关磁阻发电机的四相绕组连接于功率变换器中，励磁阶段所需电源来自他励直流电源，可以是蓄电池，也可以是其他直流电源譬如直流发电机组，或接收功率变换器发出的电能后转化而来，该他励直流电源的输出不能直接作为励磁电源，因为本发明的励磁电压需要可精细调节，所以中间有DC/DC变换器，通过控制器控制其内部开关管，实现输出励磁电压的调节，控制器接收开关磁阻发电机转速信号，以及输出功率信号，根据转速信号输出励磁电压给定值给DC/DC变换器，以及输出励磁关断角信号给功率变换器中通电相绕组支路的开关管。
和常规开关磁阻发电机一样，本实施例的开关磁阻发电机的定子凸极极宽小于转子凸极极宽，如附图2所示，在定转子前沿重合处开通该定子凸极上所在相绕组的励磁，即在定转子凸极中心线θα之前的θ3即电感刚进入最大区域时开通，根据开关磁阻发电机的电压方程，此时开通后励磁电流将会快速上升，理论上在θ4左右位置时励磁阶段结束即励磁关断，同样根据已知的开关磁阻发电机电压方程，在θ4～θ5区间将会产生反向力矩，从而相绕组中磁能转化为电能输出，待到θ5位置后，因为电感最小并基本维持不变，没有了运动电动势，在发电电压作用下该相绕组电流会快速降至零；随后进入的是如附图2所示θ1～θ2和θ2～θ3的作为开关磁阻电动机工况，所以该区域任何相绕组都不会通电工作。
本实施例的功率变换器的主电路如图3所示，四相绕组，相隔的两相组成一组，构成两个并联的功率变换支路，在譬如M相绕组励磁阶段时，左侧给予的励磁电源即DC/DC变换器直流电上正下负经由开关管V1-M-开关管V2向M相绕组供电励磁，励磁阶段结束后开关管V1和V2关断，M相绕组中的能量经由二极管D2-M-二极管D1向右侧的输出功率端输出电能，此为发电阶段；后续根据转子位置，假设N相绕组需要工作，则首先控制开关管V4和V5闭合进入励磁阶段，励磁结束断开该两只开关管自动进入发电阶段二极管D4和D5续流；相应的，P相绕组励磁闭合开关管V1和V3，二极管D2和D3续流发电；Q相绕组励磁闭合开关管V4和V6，二极管D5和D6续流发电。
在系统运行控制中，始终固定励磁开通角为定值，即转子凸极前沿与定子凸极前沿对齐位置；全域不采用任何斩波和PWM的开关管控制方式。
在本实施例选定的开关磁阻发电机机组系统投入运行前，对其进行线下试验，按如下步骤，获取数据查询表；
(1)在开关磁阻发电机额定转速以下时：测试在转速恒定时的获得最大输出功率的励磁关断角和励磁电压值，从而得到不同转速时最大输出功率的励磁关断角和励磁电压的三维数据查询表；按照整数顺序排列的一个一个速度点进行测试，获取每个速度点下最大输出功率时的励磁关断角和励磁电压。
(2)在开关磁阻发电机额定转速以上时：测试在转速恒定时的获得额定输出功率的励磁关断角和励磁电压值，从而得到不同转速时额定输出功率的励磁关断角和励磁电压的三维数据查询表；励磁关断角与励磁电压选取原则是：以最低的励磁电压获取额定输出功率，即在一恒定转速时，先选取励磁电压下限值，调节励磁关断角是否能获取额定输出功率，不能达到额定输出功率，则增加励磁电压，然后再调节励磁关断角，直至获取额定输出功率后记录该转速下的励磁关断角和励磁电压值；测试的数量也是按照整数速度点一个个进行，直至系统规定的上限速度值。
最后要把以上两个数据查询表合二为一，写成软件存入控制器的主控芯片中备查。
开关磁阻发电机机组系统运行中，实时检测发电机转速，每隔一定时间就根据当前转速值进入已有数据查询表中得到励磁关断角和励磁电压值，然后作为给定信号控制系统运行。

Claims (1)

1.一种变速开关磁阻风力发电机最大功率跟踪控制方法，其技术特征是，固定励磁阶段励磁开通角为转子凸极前沿与定子凸极前沿对齐位置；不采用任何斩波和PWM的开关管控制方式；
在本发明的开关磁阻发电机机组系统投入运行前，对其进行试验，按如下步骤，获取数据查询表；
(1)在开关磁阻发电机额定转速以下时：测试在转速恒定时的获得最大输出功率的励磁阶段励磁关断角和励磁电压值，从而得到不同转速时最大输出功率的励磁关断角和励磁电压的三维数据查询表；
(2)在开关磁阻发电机额定转速以上时：测试在转速恒定时的获得额定输出功率的励磁阶段励磁关断角和励磁电压值，从而得到不同转速时额定输出功率的励磁关断角和励磁电压的三维数据查询表；励磁关断角与励磁电压选取原则是：以最低的励磁电压获取额定输出功率，即在一恒定转速时，先选取励磁电压下限值，调节励磁关断角是否能获取额定输出功率，不能达到额定输出功率，则增加励磁电压，然后再调节励磁关断角，直至获取额定输出功率后记录该转速下的励磁关断角和励磁电压值；
在该开关磁阻发电机机组系统运行中，检测发电机转速，根据转速值进入已有数据查询表中得到励磁关断角和励磁电压值，并作为给定信号控制系统运行。
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