开关磁阻发电系统非线性仿真.pdf-资料库

http://www.paper.edu.cn 开关磁阻发电系统非线性仿真李娜陈昊 (中国矿业大学信电学院，徐州 221008) 摘要：针对开关磁阻电机的高度非线性，以相电流-转子位置-磁链数据为基础，应用二维插值法，建立了三相 12/8 结构开关磁阻发电机仿真模型，并给出了仿真结果，为进一步研究开关磁阻电机在风力发电系统中的应用提供了一种有效的工具。关键词：开关磁阻；风力发电；非线性；仿真中图分类号：TM301.2 Nonlinear simulation of Switched Reluctance generator system Li Na Chen Hao College of Information and Electrical Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008 Abstract: The simulation models of three-phase 12/8 structure Switched Reluctance generator were set up based on the phase current-rotor position-flux links data and the two-dimension interpolation methd in allusion to the serious nonlinear of the Switched Reluctance generator. The simulated results were given. It contributes to provide an effective tool for the farther research of the Switched Reluctance generator applied in the wind power generation system. Key words: switched reluctance; wind power generator; nonlinear; simulation 1. 引言人们的能源和环保意识日益增强，风力发电越来越受到学术界和产业界的重视。研制高可靠性、高效率的风力发电机系统，是当前风力发电研究的重点。开关磁阻发电机系统由于结构简单坚固、成本低、耐高温、运行速度范围广，用做变速风力发电机具有良好的应用前景[1]。开关磁阻发电机的定、转子为双凸极结构，电机磁路具有高度非线性。因此，为了准确地定量研究开关磁阻变速发电系统的稳态和动态特性，须进行其非线性系统仿真。本文在一组相电流-转子位置-磁链数据的基础上，应用二维样条插值法，可以得到任一转子位置和相电流下的电机磁链值；并以此建立仿真模型和进行仿真，能够较真实地反映开关磁阻发电机的动、静态特性，有助于开关磁阻变速发电系统的设计和分析。 2. 数学模型电机第 k 相电压平衡方程式为： U k = iR kk + d ψ k dt (1) ______________________________________________________ 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（ 20050290510 ）国际合作重点计划资助项目（2004DFB01400）（2006DFA61200）联系人：陈昊，email: chenhaocumt@tom.com 1

http://www.paper.edu.cn 其中， kU 为加于 k 相绕组的相电压， kR 为 k 相绕组的电阻， ki 为 k 相绕组的相电流， kψ 为第 k 相绕组磁链。 SRG 相绕组产生的电磁转矩为： T k = ' W ∂ ∂ θ | i k = const (2) 式中， 'W 为一相通电时电机的磁共能，且 W ∫= ki ' ψ (3) kdi 0 第 k 相绕组的磁链 kψ ，可以写成关于第 k 相转子位置角θ和第 k 相电流 ki 的函数，即 ( θψψ ) = , k k k i (4) 代如式(1)，可得：得出第 k 相电流的表达式为： U k = iR kk + ψ ∂ k i ∂ k di k dt + ψ ∂ k θ ∂ d θ dt (5) ∂ ψ k ∂ θ d θ dt (6) U k − di k dt = − iR kk ψ ∂ k i ∂ k 且，所以， d θ dt = ω (7) ∂ ψ k ∂ θ ω (8) U k − di k dt = − iR kk ψ ∂ k i ∂ k 其中偏导数的计算如下：       k = i ∂ ψψ ( i ∂ k ψ ∂ k θ ∂ i ,( = i ∆+ i ,( − θψθ ) , ) i ∆ −∆+ ) θ ∆ i ,( θψθθψ ) (9) 式中，i 和θ为电机的瞬时相电流值和转子相对位置值， i∆ 和 θ∆ 为相电流增量和转子位置增量。 3. 基于 Matlab 的仿真模型不同的电流和转角下的磁链值ψ，通过编制 M 函数，从相电流-转子位置-磁链数据表中由二维样条插值法得到。由已知的相电流-转子位置-磁链数据表，插值得到的磁化曲线如图 1 所示。 2

http://www.paper.edu.cn 图 1 三维磁化曲线图由图 1 投影得到磁化曲线簇和不同电流下磁链随转子位置角变化的曲线分别如图 2 和图 3 所示。图 2 磁化曲线簇图 3 磁链随转子位置角变化曲线 3

根据式(8)和式(9)的搭建开关磁阻发电机的相电流仿真模块如图 4 所示。 http://www.paper.edu.cn 图 4 电流模块模块的输入 in1~in3 分别为相电压、转速和转子位置。输出 out1~out3 分别为相电流 ai 、励磁电流 ei 和发电电流 gi 。图 4 中的 Switch1 和 Switch2 用以将相电流以关断角为界线分离出励磁电流和 i = 。Subsystem 模块完成式(9)的计发电电流。即励磁阶段 g a 算，其仿真模型如图 5 所示。 i = ， e ，发电阶段 0=gi 0=ei i ， i a 图 5 Subsystem 模块仿真模型 i∂ ∂ψ 和 Subsystem 模块的输入 in1 和 in2 分别为瞬时的相电流值和转子位置值，输出 out1 和 out2 分别。其中，MATLAB Fcn1~ MATLAB Fcn3 为编制的 M 函数，实现查表输出不同为转子位置和相电流下的磁链值。Constant1 和 Constant2 为电流的增量 i∆ ，Constant3 和 Constant4 为转子位置角增量 θ∆ 。 θψ ∂ ∂ 将以上模块应用到一台三相 12/8 的开关磁阻发电机系统中，在 Matlab 环境下建立的系统仿真模型如图 6 所示。 4

http://www.paper.edu.cn 图 6 系统仿真模型 4. 仿真结果上述系统采用双闭环控制，外环为功率闭环，内环为电流闭环。系统的基本运行参数为励磁电压 24V，发电机运行转速为 504 转/分，目标输出功率为 500 瓦，功率开通角固定为 13 度，关断角固定为 32 度。所得的仿真波形如图 7 ~ 图 10 所示，其中，图 7 为输出功率曲线，图 8 为输出电压曲线，图 9 为相电流波形，图 10 为三相电流波形。图 7 输出功率曲线图 8 输出电压曲线 5

http://www.paper.edu.cn 图 9 相电流波形图 10 三相电流波形 5．结论本文建立的 Matlab 环境下三相 12/8 的开关磁阻发电机系统非线性仿真模型，为进一步研究其在风力发电运行中的动、静态特性，打下了良好的基础。参考文献 [1] 陈昊著《开关磁阻调速电动机的原理设计应用》，中国矿业大学出版社, 2000.10. [2] 嵇丽丽，陈昊. 基于 Matlab 的开关磁阻电动机驱动系统非线性建模仿真. 东南大学学报，2004， Vol.34, 增刊, pp.149-154. [3] 严加根，刘闯，严利，刘迪吉. 基于 MATLAB 的开关磁阻发电机系统的非线性建模与仿真. 河海大学学报，2006 [4] Cardenas R, et al. Experimental evaluation of a switched reluctance generator for wind energy application. Wind Engineering. 20,3(1996):115～136 [5] Cardenas R, et al. Switched reluctance generators for wind energy applications. Power Electronics Specialists Conference. 1,(1995):559～564 6

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