华中科技大学电气专业新型电机大作业开关磁阻电机在风力发电系统中的应用

1、开关磁阻电机在风力发电系统中的应用华中科技大学电气与电子工程学院 新型电机论文作业一、 引言风电行业现状概要与开关磁阻电机发展简介风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发

2、展。在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。属于风能资源较丰富的国家。“十一五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。 从自然环境来看，我国居于非常有利的优势地位。我国地域广阔，海岸线长、风力资源十分丰富。据统计，全国平均风能密度大约为100 W/m2，风能总量为3226 GW，其中可供开发利用的陆上风能总量大约为253 GW。在我国东南沿海及附近岛屿、内蒙和河西走廊，以及我国东北、西北、华北、海南及西青藏高原等部分地区，每年的年平均风速在3 m/s以上时间近4000 h，一些地区的年平均风速在67

3、 m/s以上，对于风力发电来说，具有很大的开发价值和广阔的利用空间。按“十一五”发展规划，至2010年我国风电装机总量将突破10 GW。 风力发电问题近年来已成为电力行业研究的热点。在风电发展的过程中，直驱永磁同步电机得到了越来越广泛的应用。开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。目前开关磁

4、阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和风电等各个领域。二、 风电机组的特性原理2.1风机特性研究风力机的种类很多，目前大型并网风力发电机组中采用的风力机绝大多数都是水平轴、下风向式、三叶片。风电机组的发电过程是将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的过程。在这个过程中，风力机捕获风能的过程起了相当重要的作用，它直接决定了最终风电机组的转换效率。但不管采用什么形式的风力机，都不可能将风能全部转化为机械能。德国科学家贝茨（Betz）于1926年建立了著名的风能转化理论，即贝茨理论。贝茨假设风轮是理想的，既没有轮毂，且有无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力；此外假定气流经过整个扫风面是均匀的，

5、气流流过风轮的速度方向为轴向。理想风轮的气流模型如图2-4所示。 图2-4理想风轮的气流模型其中，v是风轮上游的风速，是通过风轮的风速，是风轮下游的风速。通过风轮的气流上游截面积为，下游截面积为。根据理论和能量的转化，一定有，根据贝茨理论，则有设S为风轮平面面积，为空气密度，则风能作用于桨叶上的力为 （2.1）由此计算桨叶接收的功率为： (2.2)由上游至下游的动能变化： （2.3）因能量守恒，则 （2.4）可以求得： （2.5） （2.6）由于桨叶前风速是认为给定的，故对P微分求其最大值，P是的函数，则有 若令其为0，解得 代入P的表达式，可求出P的最大值： （2.7）由此，除以气流通过扫风

6、面S所具有的动能，得到风轮的理论最大效率： （2.8）这就是著名的贝茨定理，它说明理想的最佳条件下，对风能的利用率也不到60%，有很大一部分能量化为了旋转动能而损耗在桨叶背面也就是说，实际风力机的效率必定小于0.59，所以在实际的风力机运行中，就是要最大限度地接近该风能的最大利用数值。风力机的机械转矩T与风速v的关系可以表示为: （2.9）其中是反应转矩大小的系数。转化机械功率为： (2.10)风力机实际得到的有用功率为： （2.11）其中R为风轮半径，为风力机运行机械角速度，为风能机械转化效率，且叶尖速比（表示风轮运行速度快慢）为 要使得系统获得最佳的功率输出系数，即得到最大,根据不同的（叶

7、片回转平面与桨叶界面弦长之间的夹角）和值可得出功率系数近似特性曲线（关系见图2.3），求得，所以的取值是实现最大风能追踪控制的关键。 图2-5 与叶尖速比以及桨距角的关系2.2最大风能追踪根据贝兹(Betz)定理，风力机获得的机械功为: （2.11）其中，为风能利用系数，为空气密度，S为风力机扫风面积，V为上游风速叶尖速比可以用下式表示： （2.12）其中，为风轮的角速度，为电网频率，为风轮半径。对某一确定的风力机，当和V一定时，风力机所获得的机械功率仅与风能利用系数有关，是桨距角和叶尖速比的函数，即，某一风速下，当桨距角一定时，则仅由叶尖速比决定。在某一风速下，总会有一个最佳叶尖速比，对应了

8、最大风能利用系数，因此，只要控制保持最佳叶尖速比，就能获得最大风能。由式（2.11）和（2.12）可得风力机最大输出功率和风轮转速之间的关系如下： （2.13） 图2-6桨距角下风能利用系数曲线 图2-7系数曲线 图2-8风力机输出功率特性曲线如图2-8所示，是一组在不同风速下风力机的输出功率特性，最佳功率曲线是各风速下最大输出功率点的连线。从中可以看出在同一个风速下，不同转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪最佳功率曲线，保持最佳叶尖比，即最大限度地获得风能，就必须在风速变化时及时调节风轮机的转速，在直驱同步风力发电系统中，即调节发电机的转速，从而改变风力机转速，这是最大风能捕获的主要思想。

9、应用以上思想，在直驱永磁同步风力发电机组中，在最大功率输出方式下。当风力大于风力机启动的最低风力后，风力机在运行状态，此时风力机为优化桨距角定浆距运行，由变频器控制系统来控制系统输出，调节风力机转速，获得相应的，实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获。当风速进一步增大，超过额定转速后，变频器控制通过转矩调节转速基本失效，系统变桨距装置开始动作，调节风轮受力，减少风轮机械能的获取，保护风力机和发电机组，避免因超速和超功率运行引起的事故。此时风力机工作在额定功率输出模式，输出稳定。通过以上的分析，就可以实现最大风能的追踪和最大功率的输出控制，获得较为平稳的能量，保证了公用直流母线的能量平稳获取和后

10、续逆变并网电能质量。三、 开关磁阻发电机的运行原理、结构特点 开关磁阻电机的基本结构和步进电机非常相似，它是双凸极可变磁阻电机。电机的定子和转子均由硅钢片叠压而成，转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一对磁极，称为“一相”。由于低于三相的SR电动机没有自起动能力；而相数多的SR电动机步距角小，利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高，故目前应用较多的是四相8/6和三相6/4极结构。从原理上看，SR电动机与步进电动机相似，运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。所以当铁芯与磁场的轴线不重合时，便会有作用力将铁芯拉到磁场的轴线

11、上来，这个作用力就是磁阻电机运行的动力。这是SR电机与步进电机的相似之处，但是，一般步进电动机是开环控制，而SR电机则是闭环控制；另外一般步进电动机是用在角位移较精密的传动方面上，而SR电机是典型的功率型电气传动装置，主要应用在牵引传动方面。因此，SR电机要突出速度控制和实现高效率，所以其结构和控制系统设计思路也大不相同。如图所示为四相8/6极SR电动机结构原理图(图中只简要画出A相绕组及其供电图3-1 四相8/6极SR电动机结构电路。 现以图中四相8/6极SR电机结构所示为例，介绍开关磁阻电动机的工作原理。图中，是电子开关，是二极管，是直流电源。电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由

12、叠片构成，且带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，维持电动机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。图3-1中，当定子D-D极励磁时，所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线1-1与定子极轴线D-D重合的位置，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给DABC相绕组通电，转子即会以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给BADC相通电，则电机即会沿着顺时针方向旋转。可以看出，SR电动机的转向与相绕组的电流方向

13、无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。另外，从图1-1可以看出，当主开关器件导通时，A相绕组从直流电源吸收电能，而当关断时，绕组电流经续流二极管继续流通，并回馈给电源，因此，SR电机传图3-2 相电感、转矩随转子位置的变化图a)相电感随转子位置的变化b)一定电流下转矩随转子位置的变化动的共性特点是具有能量再生作用，系统效率高。 从上面简单的分析可以知道，SR电动机的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势来产生的。由于电动机磁路的非线性，通常SR电动机的转矩应根据磁共能来计算，即： （3-1）式中转矩，磁共能，转子位置角，绕组电流显然，磁共能的改变不仅取决于转子的位置，还取决于绕组电流的大小。在对SR电

14、动机性能作定性分析时，为避免繁琐的数学推导，不妨忽略磁路饱和及边缘效应，并假定电感同电流无关。这时，一对定子极下电感随转子位置角的变化曲线如图1-2a所示，电动机每转一圈，电感变化的周期数正比于转子的极对数，该周期的长度为转子极距。基于图3-2a的简化线性模型，式(3-1)可化简为式(3-2)，即： （3-2）由上式可知，相绕组在恒定电流作用下，产生的对应转矩如图1-2b所示。由此可见，SR电动机的转矩方向不受电流方向的影响，仅取决于电感随转角的变化；在相通电的过程中，若，则产生电动转矩；若，则产生制动力矩。因此，通过控制加到SR电动机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置，即可控制S

15、R电动机转矩的大小与方向，这正是SR电动机调速控制的基本原理。SRD系统的组成图3-3 SRD系统基本结构一般SRD系统由SR电机和控制系统组成，基本结构如图1-3所示。SRD系统包括:SR电动机、功率变换器、控制与检测单元、输入输出设备。其中控制系统主要包括功率驱动部份和控制器及检测部分。功率驱动部分是将蓄电池或交流电整流后得到的直流电能量经适当转换后提供给SR电机。由于电机绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的可以避免直接短路的故障。功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关，它是SRD系统能量传输的关键部分，工

16、作在强电环境下，直接用来控制SR电机相绕组电流的通断来驱动电机转子的运转，是影响系统性能价格比的主要因素。控制器及检测单元是SRD系统的核心部分，它综合处理电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SR电机运行状态的控制。若控制器发出一系列控制信号，使电动机各相主开关器件按一定的规律导通，则电动机会按逆时针或顺时针方向旋转，并输出机械能；若输出相反顺序的触发信号，则电动机将反转。它工作在弱电环境下，通过接受外围键盘等设备下达的指令，检测转子的位置和绕组电流的大小等信息，送入CPU并结合控制策略，得出控制方法，然后将控制输出信号送入功率电路，且同时将电机的运行

17、状态通过显示设备显示出来，其设计的好坏直接影响电机的运行性能。开关磁阻电机(Switched Reluctance Generator，简称SRG)技术是集微电子技术、电力电子技术、红外光电技术、现代电磁理论设计和制作技术为一体的高新技术，其优点是3：1. 电机结构简单、成本低廉、调速范围宽。SRM 为双凸极定转子结构，定子上只有几个集成绕组，转子上无绕组，转子机械弹性好。2. 各相独立工作，系统可靠性高。SRM 可做到磁路上及电路上各相相互独立，当某相发生故障时，通过切除故障相可以保证系统继续运转。3. 功率电路可靠简单。SRM 转矩方向只与各相通电顺序有关，而与绕组电流的方向无关，功率电路

18、可以做到每相一个功率开关。同时，SRM 系统中每个功率元件均与电机绕组相串联，根本上避免了直通短路的现象。目前在高度发展的电力电子和微机控制技术支持下，SRM 已经在许多领域得到了成功应用。开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator，简称SRG)作为SRM的一种，具有良好的特性，并且在风电场合可以省去齿轮箱、降低风电设备成本、提高风能利用率，所以将S R G 应用在风力发电领域具有重要的理论研究意义和实用价值。四、开关磁阻电机数学模型的建立 建立SR电动机数学模型的主要困难在于电动机的磁路饱和、涡流和磁滞效应等产生的非线性，这些非线性影响着电动机的性能，但却很难

19、进行数学模拟。考虑了非线性的所有因素，虽然可以建立一个精确的数学模型，但是计算相当的繁琐。因此，在性能分析和求解建立数学模型时不得不在实用与理想之间寻求一种折衷的处理方法。 目前人们针对电机磁链的变化，常采用以下几种方法来建立模型口： (a)理想线性模型 若不计电机磁路的饱以及边缘效应等影响，假定电机相绕组的电感与电流大小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，可用SR电动机的理想线性模型将磁链近似为电流的线性函数，这种方法可了解电机工作的基本特性和各参数之间的相互关系，并可作为深入探讨各种控制方式的依据，但求解的误差较大，精度较低。 (b)准线性模型 因为磁链在饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为

20、了近似地考虑磁路的饱和效应、边缘效应，可将实际的非线性磁化曲线分段线性化，同时不考虑相间祸合效应，可将曲线分为两段(线性区和饱和区)或三段(线性区、低饱和区和高饱和区)，这样可以用不同的解析式来表示每段磁化曲线。 以上两种模型，电感参数均有解析表达式；在用于分析电机性能时，电流和转矩也均有解析解，因此一般可用于定性分析。事实上，由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、涡流以及磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性，在电机运行期间，绕组电感为电流和转子位置角的函数。但是SR电动机定子绕组的电流、磁链等参数随着转子位置变化的规律很复杂，难以用简单的解析表达式来表示，因此很难建立精确可解的数学模

21、型。 (c)非线性函数拟合模型 将磁链用一非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确度。显然，磁链随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，采用非线性函数来拟合磁链的变化规律将是一项很困难的工作。且针对一般拟合的函数，绕组的电流、电感等是也无法用简单的解析表达式来进行表示。 (d)查表法该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流间隔电机磁特性数据反演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据，的连同矩角特性数据的以表格形式存入计算机中，然后用查表法数值求解非线性模型，这种方法较为直接、也较为精确，既可用于稳态分析，也可用于解瞬态问题。开关磁阻电机电动机运行的理论与任何电磁式机电装置运行的理论在本质上没有

22、什么区别，对于m相SR电动机，若不计磁滞、涡流及绕组间互感时，可列出如图4.1所示的一对电端口和一对机械端口的二端口装置系统示意图。图4.1 m相SR电动机系统示意图 图中，表示电动机电磁转矩，为SR电动机转子及负载的转动惯量，代表粘性摩擦系数，表示负载转矩。 建立SR电动机数学模型时，为了简化分析，特作如下假设： (1)忽略铁心的磁滞和涡流效应，且不计磁场边缘效应； (2)在一个电流脉冲周期，转速恒定不变； (3)主电路供给电源的直流电压恒定不变。 在建立各项方程前，设相SR电机各相结构和参数一样，且第相的磁链为、电压为、电阻为、电感为、电流为、转矩为，转子位置角为，电机的实时转速为。 下面

23、分别针对这种“理想”的机电系统建立磁链方程、电压方程和机械联系方程。（1）磁链方程一般来说，SR电动机的各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流以及转子位置角的函数，即： （4.1）由于SR电动机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，一般忽略相间互感，因此，磁链方程也可简写成该相电流和电感的乘积，即： （4.2）其中，每相的电感是相电流和转子位置角的函数，它随着转子角位置而变化，这正是SR电动机的特点。（2）电压方程由基尔霍夫定律可列写出第相回路电压平衡方程。施加在各定子绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，故第k相绕组电压方程： （4.3）将4.2代入上式可

24、得：（4.4）上式表明，电源电压与电路中三部分电压降之和相平衡。其中，等式右端第一项为第相回路中的电阻压降；第二项是由电流变化引起磁链变化而感应的电动势，所以称为变压器电动势；第三项是由转子位置改变引起绕组中磁链变化而感应的电动势，所以称为运动电动势，它与电磁机械能量转换直接有关。（3）机械方程 按照力学定律可得出在电动机电磁转矩和负载转矩作用下的转子机械运动方程： （4.5）以上分别从电端口、机械端口列写了系统方程，两者是通过电磁转矩耦合在一起的，转矩表达式反映出了机电能量的转换。应该指出，上述SR电动机的数学模型尽管从理论上完整、准确地描述了SR电动机中的电磁及力学关系，但由于及难以解析，

25、实用起来却很麻烦，因此，往往必须根据具体电动机的结构及所要求的精确程度加以适当的简化。五、 开关磁阻电机用于风力发电的优势普通的发电机，如如异步发电机、感应发电机、永磁发电机要输出固定电压，其转速也须固定。而风速是时刻变化的，所以风轮机的转速必须固定不变，导致网通利用效率低下。显然，如果使用变速发电机就能提高风能利用效率（即变速恒频发电系统），而开关磁阻电机正满足了这样的要求。具体而言开关磁阻发电机用于风力发电有如下优势2： 1. 可以方便的发出电压恒定的直流电，尤其对于它励方式，输出电压直接由励磁电压决定，而与转速无关。在自励方式下，也可以通过自身的控制器实现电压恒定。 2. 开关磁阻发电机

26、结构简单，转子上无刷、无绕阻、无永久磁体，因此成本低廉；不存在铜耗，发电效率高；同时转子的转动惯量小，启动转矩低，动态响应好。低频时不会出现像变频供电的感应电机在低频时出现的不稳定和振荡问题。因此即使在网速较低的情况下，通过合理的设计，也可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省去了齿轮箱。 3. 开关磁阻发电机具有优良的高速性能，能够在宽广的速度范围内稳定运行，因而可以适应不同网速的要求，高效的利用网通。 4. 开关磁阻发电机可控参数多，如开通角，关断角，直流斩波限，励磁电压等，可方便的实现比较复杂的控制策略。 5. 开关磁阻发电机具有自励能力，只需要小容量的直流起励电源，就可以自动建立

27、电压。若与蓄电池构成互补系统，更可以体现分时励磁和发电的优势。 6. 开关磁阻发电机各相在物理和电磁上相互独立，即使缺相的情况下，仍可维持工作，具有很强的容错能力。双馈发电机最早起源于绕线式转子异步发电机，其结构是在绕线式异步发电机的基础上安装一个滑环。此种结构的发电机是通过对其转差频率的控制，来实现发电机的双馈调速。由于控制的是电机的转子电流，控制功率仅为定子绕组输入功率的几分之一，因此所需功率变换器的功率较小。目前有有刷和无刷双馈电机两种，有刷双馈电机由于其有刷结构，运行可靠性差，需要经常维护，不适合运行在环境恶劣的风力发电系统中。无刷双馈电机的出现弥补了这种电机的不足。由于无刷双馈电机兼

28、有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，还可以调节功率因数和运行速度，因此比较适合变速恒频的风力发电系统。双馈系统在变频器中仅流过转差功率，其变频器的容量小。但由于要求功率双向流过变频器，它必须是四象限双PWM 变频器，由两套IGBT 变换器构成，价格是同容量单象限变频器的一倍左右。另外，由于发电机要求，需要齿轮箱和高速传动装置配合，增加成本和降低了传动效率的同时，也增加了系统维护的难度。并且双馈感应电机输出的是交流电，需要通过逆变器进行交直流变换，降低了转换的效率，增加的系统成本。与之相比，开关磁阻发电机输出的是直流电，可以降低系统成本。而且，开关磁阻发电机结构简单，控制性能好，转

29、子上无绕组。开关磁阻风力发电系统没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了控制系统结构，提高了系统可靠性。同时，由于发电机相绕组间无电磁耦合，容错能力大大增强。另外，由于开关磁阻发电机的特殊结构，其热量主要集中在定子外壳，因此具有很好的耐高温特性。六、总结随着能源危机的不断加深，能源解决问题变得越来越紧迫，风力发电作为新能源中发展最早，技术最全面的技术受到了人们广泛的重视，所以风能技术的研究也越来越多。作为风力发电技术中的一种，开关磁阻电机具有广阔的应用前景，是未来风电技术发展的一个重要的方向。通过新型电机这门课程的学习，我知道了在传统电机之外还有其他的应用非常广泛的微特电机，在现代社会