基于开关磁阻电动机的风力机模拟研究

在风力发电系统研发过程中,需要使用风力机模拟器驱动发电机,以测试发电机和并网装置在不同风速条件下的响应性能。研发精确、经济的风力机特性模拟技术,对于推动风力发电机技术的开发和应用具有十分重要的意义。 实验室环境下的风力机模拟器都是由伺服电动机制成的,其对电动机的要求是：具备宽广的调速范围、良好的动态转速和转矩特性、较高的运行效率和可靠性,并且易于控制。目前,风力模拟器采用的电动机类型有直流电动机、异步电动机或者永磁同步电动机。直流电动机带有电刷和滑环,维护量大,可靠性较差,不适合应用于大功率风力机的模拟。异步电动机矢量控制复杂,控制精度受变化的转子参数影响较大,并且低速运行时电机出力小,容易振荡和不稳定。而永磁同步电动机的制造成本则比较高,且存在退磁问题。 开关磁阻电动机(Switched Reluctance motor,简称SRM)是近年来开发成功的新型电动机,其优点是：调速范围宽,运行效率高；电机转子结构简单坚固,功率变换器无直通隐患,可靠性高；低速时出力大,有良好的转矩/转动惯量比；控制方式灵活,通过合理的控制,可以实现与直流电动机类似的转矩-转速特性。这些优势使得SRM很适合用于风力机模拟器,但目前还没有SRM用于风力机模拟器的研究报道。 本文研究使用SRM的风力机特性模拟技术。对转速调节模拟方法及其模拟误差模型、基于模糊PI调节器的SRM转速控制法、SRM的直接转矩控制方法进行了较为深入、全面的探讨,并开发了实用的使用SRM的风力机模拟器。主要内容有： 1.对目前国内外的风力机特性模拟的研究现状进行了分析总结。探讨了SRM应用于风力机特性模拟的可能性,并提出了SRM相对于其它风力机模拟系统的优势。 2.提出一种在软件模拟器中数值求解风力机系统微分方程,控制伺服电动机实时调速跟踪的风力机模拟技术。在时域上建立转速调节模拟风力机特性的误差模型,分析模拟步长和转速对风力机特性模拟误差的影响,提出在风力机软件模拟器中以四阶龙格库塔方法实时求解系统微分方程,以降低模拟误差。 3.设计了SRM模糊PI调节器,克服SRM双凸极结构和饱和非线性带来的建模困难,进行转速的动态平滑调节。以开关磁阻电动机准线性模型为基础,将SRD(Switched Reluctance motor Drive,开关磁阻电动机调速系统)整定成典型Ⅱ型系统以确定模拟步长。转速偏差大时模糊调节器工作,转速偏差小时PI调节器作用,以消除稳态偏差。进行了风力机模拟系统单步长转速模拟的数字仿真,结果表明模糊PI调节器相比常规PID调节器具备更好的转速跟踪性能。 4.研究了一种基于SRM直接转矩控制(Direct Torque control, DTC)的风力机转矩模拟技术。依据风力机和模拟系统的机械方程,推导出转矩调节模拟风力机的转动惯量补偿方法,以实现风力机动态模拟。实时软件模拟器中执行风力机模型,并以转矩指令控制SRM实时跟踪输出参考转矩,SRM采用直接转矩控制策略调节转矩。 5.开发了一种转矩磁链双滞环控制的开关磁阻电动机DTC算法。基于SRM近似转矩模型和试验测定的磁化及转矩特性数据,采用转矩磁链双滞环控制策略,直接控制SRM的转矩,实现使用SRM的风力机特性转矩调节模拟。SRM双滞环控制借鉴异步电机的直接转矩控制策略,对SRM磁链矢量实时空间定位,根据参考磁链和转矩幅值,选择控制电压矢量。采用双位式砰砰控制,原理简单,鲁棒性强。Simulink仿真结果验证了转矩磁链双滞环控制的SRM转矩跟踪的有效性,相比SRM的电流斩波控制,SRM直接转矩控制显著减小了转矩脉动。 6.分别建立了风力机与风力机模拟系统小信号线性化模型,对风力机特性的转速调节模拟方案与转矩调节模拟方案在频域上进行研究分析,建立模拟误差的频域特性模型,结合输入风速的Van der Hoven模型功率谱特性,比较两种模拟方案的频域动态误差特性。 7.建立了开关磁阻电动机驱动直流发电机的风电系统模拟试验平台,设计了一套基于10kW开关磁阻电动机的风力机模拟器。转速调节模拟试验中,上位机软件根据风速输入和传感器的负载转矩值进行风力机特性模拟计算,通过串口向电机控制器传送转速指令,由模糊PI控制器进行实时转速调节。在风力机特性的转矩模拟试验中,测量了开关磁阻电动机的磁链-电流-位置角特性数据,并通过三次样条函数插值,对电流i积分和对位置角9的微分运算,获取SRM的转矩-电流-位置角特性表格,用于开关磁阻电动机DTC控制。以14kW直流发电机为风力机模拟器负载,采用直接转速控制策略,调节直流发电机励磁,对风力机模拟器进行最大风能跟踪测试。转速曲线和负载转矩数据分析表明,所开发的风力机模拟器实现了对风力机转矩-转速特性和转动惯量的模拟。 本文对基于开关磁阻电动机的风力机特性模拟技术进行深入研究。分别采用基于SRD模糊PI控制的转速调节方案和基于SRM直接转矩控制的转矩调节方案对风力机特性进行模拟。基于开关磁阻电动机的风力机模拟器结构可靠稳定,调速范围宽,低速动态性能好,为实验室环境下的风力发电机的研发测试提供了一种有效的模拟手段。