基于恒功率控制的SRG风力发电系统输出稳定研究

1、毕业设计说明书题 目：基于恒功率控制的SRG风力发电系统输出稳定研究 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2011年5月 湘潭大学毕业设计任务书设计题目：基于恒功率控制的SRG风力发电系统输出稳定研究 学号： 姓名： 专业： 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求 主要内容：分析风力发电系统变速情况下的输出，提出适当的控制方式，使其在风速一直增大时能保持输出功率基本稳定。要求用SRG风力发电模块。 基本要求：1. 熟悉风力发电的环境，弄清楚SRG的工作原理； 2. 熟悉风力发电系统的具体结构，了解风速控制理论； 3. 熟悉使用发电系统的调节器、分析各个调节器对整个风机的

2、输出影响； 4. 根据要求设计Matlab图纸，调试，并仿真； 5. 按规定要求完成毕业设计说明书（10000字以上）。 二、重点研究的问题 1. 风力发电系统的运行条件、控制要求； 2根据系统的控制因素，确定控制参数、控制手段； 3SRG的闭环控制特点； 4设计Matlab仿真图，调试出结果 3、 进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研2011年1月1日2011年2月28日2写出开题报告、指定设计方案2011年3月1日2011年3月30日3提出控制理论图，软件设计2011年4月1日2011年4月25日4调试结果2011年4月26日2011年5月15日5纠错、完善、写论文2011

3、年5月15日2011年5月21日6准备答辩2011年5月21日2011年5月30日基于恒功率控制的SRG风力发电系统输出稳定研究 湘 潭 大 学 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 姓名： 专业： 毕业论文（设计说明书） 页 图 表 张论文（设计）题目： 基于恒功率控制的SRG风力发电系统输出稳定研究 内容提要：这一段时间里，我具体查阅资料，根据我需要做的毕业设计课题特点，主要体现在恒功率控制这一块，因此，着重翻阅诸多资料，推出自己的一些想法，完成了以下一系列工作：（1）搜集了有关风力发电技术的文献；指导教师评语指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见答辩

4、委员会主任： 年 月 日 摘要随着化石燃料的不断消耗，世界能源危机已经日益彰显成为一个全球关注的话题，常规能源通常以煤、石油、天然气为主，资源有限，而且化石燃料的燃烧会带来一系列问题，比如全球变暖、空气污染、臭氧层的破坏等等。因此，我们必须挖掘其他可以替代的能源。本文重点围绕在开关磁阻发电机（Switched Reluctance Generator,简称SRG）风力发电系统的恒功率输出，为了证明其在发电领域的应用与发展前途，本文较全面的分析了世界各国风力发展的状况，突出显示风力发电系统的强劲发展势头。开关磁阻电机在风力发电系统中是一个比较新颖的个例，本文分析了这种发电机的独特之处以及他的优势

5、，明确了开关磁阻电机在风力发电系统的意义。其次，着重介绍了开关磁阻电机的结构和工作原理，本文选择6/4相的发电机为例，分析自励建压特性理论，发电系统的线性模型，各个重要器件工作原理和起到的作用及对发电机输出稳定的影响，最后选定在变速发电系统中，用转速闭环控制来实现风机的恒功率输出。最后，本文建立了较完善的数学模型，利用Matlab Simulink仿真软件，建立SRG系统的仿真模型，得到了在风速改变的情况下，风机输出功率的曲线，结论证明在风速达到临界值后，风机功率不会随着风速的继续增大而增大，并逐渐趋于稳定，实现了风力发电的恒功率控制。关键词：开关磁阻发电机；风力发电系统；恒功率输出；建模与仿

6、真AbstractWith the constantly fossil fuel consumption, the world energy crisis has increasingly reveal a subject of global interest, conventional energy normally with coal, oil and natural gas ,but the resource is limited ,and the burning of fossil fuels will bring a series of problems, such as globa

7、l warming, air pollution, ozone destruction, etc. Therefore, we must discover other alternative energy, This paper mainly around SRG(the abbreviation of Switched Reluctance Generator) in order to prove that constant power output in the power generation field application and developmentprospect, this

8、 paper comprehensively analyzed the world wind development situation, to highlight the strong development tendency of the wind power systems.Switched reluctance motor in wind power system is a relatively new examples, this article analyzed the unique of its generator and advantages, explicit switche

9、d reluctance motor in the meaning of wind power systems.Secondly, I introduced switched reluctance motor structure and working principle emphatically, this paper choosen 6/4 phases as an example, the paper analyzed the building of the generators voltage characteristic theory, interpreted the linear

10、model, the every important devices working principles and the functions and the effects of generator stable output of the power generation systems, finallyI selected speed closed-loop control to realize constant power output in the variable wind speed environment.Finally, this paper established a pe

11、rfect mathematical model, by the use of Matlab Simulink software,I established a simulation model of SRG system, obtained with a wind change circumstances, and its output power curve,the conclusion proof in the winds reach critical value, wind power will not increase with fan continued to grow , and

12、 gradually become stable,this realized constant power control of the wind power generation.Keywords: Switched reluctance generator; Wind power system; Constant power output; Modeling and simulation摘要7Abstract8第一章 引言101.1国内外风力发展现况10国外风力发展状况10我国风力发展状况12第二章 SRG系统和运行原理132.1 SRG系统结构132.1.1 开关磁阻电机的特点132.1

13、.2 开关磁阻电机发电系统的具体构成142.2 SRG电机电动和发电原理152.4 开通关断角的调节作用182.5功率变换器19第三章 SRG风力发电系统控制193.1 开关磁阻发电机的控制模式203.1.1 角度位置控制203.1.2 电流斩波控制213.1.3 PWM控制213.2 风力发电机最大风能捕获原理223.3 SRG风力发电控制器设计233.3.1 中、低风速时SRG的控制233.3.2 高风速时SRG控制系统233.4 风能最大捕获方案243.4.1 风速跟踪方案243.4.2 功率扰动控制方案253.4.3 转速反馈控制方案26第四章 开关磁阻发电系统的仿真结果26参考文献2

14、9第一章 引言1.1国内外风力发展现况国外风力发展状况风电在最近几个世纪都是世界上增长速度最快的能源。因为化石燃料的不断消耗，可持续发展已经成为当今世界的共同话题，因此，发展可再生能源已经是大势所趋。目前，风电在全球100多个国家和地区都有应用，在电力供应中占有很高的比例，例如丹麦的风电已超过整个电力供应的20%，西班牙达到了14.3%。未来各国风电发展目标更加宏伟，丹麦计划2025年风电占到整个电力的50%，美国提出了2030年风电占整个电力的20%目标，欧盟2020年20%可再生能源电力的目标中将有一半来自风电。主要发达国家、发展中国家，都已经将发展风能、太阳能等可再生能源作为应对新世纪能

15、源和气候变化双重挑战的重要手段。然而，除水能之外的所有可再生能源中，风能无疑是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术之一。与太阳能、生物质能相比，风能的产业化基础最好，经济性优势最明显，而且不存在生物质能所面临的资源约束，另外也没有任何大的环境影响，在可预见的时间内（20302050年），都将是最有可能大规模发展的能源资源之一。根据目前的风电技术水平，风电成本高于常规电力成本，因此许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策，从各个方面引导支持风电的发展。例如，德国和西班牙等欧洲国家采用的长期保护性电价政策，为风电和其他可再生能源开发商提供担保的上网电价，并要求电力公司与风力发电开发

16、商签署长期购电合同；英美等国主要采取可再生能源配额制政策，规定在总电力供应量中可再生能源应达到一个目标数量，从而为风电建立稳定的需求市场等，同时规定达标责任人；风电价格由市场决定，该政策与政府的发展规划结合，形成一个持续性的政策机制；另外，建立公共效益基金，支持风力发电的发展；此外，美国有些州还采取生产税减免，减少风电开发的成本。总之，鼓励风电的发展政策有很多种，这些政策的力度和范围也有所差别，但这些政策都明确表明风电不参与市场的竞争，从而给风电以非常规的待遇。而且，在气候变化压力不断加大的情况下，发展以风电为代表的可再生能源，已成为各国应对未来能源和气候变化压力的长期策略。在政策的鼓励下，2

17、007 年全球风电新装机容量约为2 000 万千瓦，累计装机 9 400 万千瓦。 2008 年是风电发展具有标志性的一年：这一年风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过1亿千瓦的电力资源。风电作为能源领域增长最快的行业，共为全球提供了近 20 万个就业机会，仅 2006 年风电场建设投资就接近 170 亿欧元。欧洲和美国在风电市场中占统治地位，其中德国是目前风电装机最大的国家，装机容量超过2 000万千瓦；美国和西班牙也都超过了1 000 万千瓦；印度是除美国和欧洲之外新装机容量最大的国家，装机总容量也超过 600 万千瓦。经过 30 年的努力，随着市场不断扩展，风电的成本也大幅度下降，

18、每千瓦时风电成本由20 世纪80年代初的20 美分下降到 2007年的46美分。在风能资源较好的地方，风电完全可以和燃煤电厂竞争，在某些地区甚至可以与燃气电力匹敌。尽管发展风电仍然存在着这样那样的难度，如电网适应能力、风能资源预报水平、海上风电发展等，但在市场稳步扩大、技术和产业成熟度不断提升、与常规能源相比的经济性优势逐步凸显，特别是政策环境前景非常明朗的情况下，世界各国都对风电发展充满了信心。例如，欧美都公布了 2030 年风电发展目标，提出了 2030 年风电满足 20% 甚至更多电力需求的宏大目标，届时都将发展约 3 亿千瓦的规模，这也为全球风电的长期发展定下了基调。国际能源署（IEA

19、） 2008年颁布的2050年能源技术情景判断，2010 2050年，全球风电平均每年增加7 000万千瓦，风电将成为一个庞大的新兴电力市场。随着风电技术的日趋成熟，依靠风力发电来增加能源供应的方式越来越受到世界各国的青睐。以欧美等发达国家为代表，全球风电呈现出 了 规 模 化 发 展 态 势 。 据 全 球 风 能 理 事 会（GWEC）统计资料，2007年全球新增风电装机容量 2 000 万千瓦，分布在全球 70 多个国家和地区，其中，排在前五位的是美国（520 万千瓦）、西班牙（350万千瓦）、中国（330万千瓦）、印度（170 万千瓦）、德国（166 万千瓦）。在欧洲和美国，新增风电装

20、机容量在近几年成为仅次于新增天然气发电装机容量的第二大新增电源。此外，2007 年，英国、意大利、法国、葡萄牙、波兰、埃及、摩洛哥、伊朗、智利、新西 MW 25 000 兰等国家在发展风电方面也有很好的表现。2003 2007 年，全球风电平均增长率为 24.7%，总装机容量目前累计达到9 400万千瓦。 2007年，全球大约生产了 2 000亿千瓦时风电电力，约占全球电力供应的 1%。按照累计风电装机容量数据排名，全球前十个国家依次是：德国（2 230 万千瓦）、美国（1 690 万千瓦）、西班牙（1 470 万千瓦）、印度（780万千瓦）、中国（590 万千瓦）、丹麦（310 万千瓦）、意

21、大利（270万千瓦）、法国（250万千瓦）、英国（240 万千瓦）和葡萄牙（220万千瓦）；前十名国家累计装机容量 8 100 万千瓦，占全球的 86%。我国风力发展状况我国幅员辽阔、海岸线长，风能资源非常丰富。中国气象局最新调查结果显示，我国海陆50米高度处风能潜在可开发量约为25.8亿千瓦，开发潜力巨大。经过30多年、尤其是“十一五”这5年的快速发展，我国风电取得了辉煌成就。据初步统计，2010年我国风电新增装机超过1600万千瓦，累计超过4000万千瓦，“双居”世界第一。在巨大市场需求的推动下，我国风电装备制造业已经成为具有国际竞争力的优势产业之一，部分风电机组制造企业进入全球前十强，国

22、内制造商已经占据中国市场份额的85%以上，并开始出口海外。我国风电装备制造企业的技术创新能力也不断增强，初步实现了大功率风电机组技术从引进消化、联合设计到自主设计的转化。我国企业在机组适应我国特殊环境和风况条件方面进行的大量创新，以及我国企业自主设计和开发的多兆瓦级风电机组下线和运行，都充分证明我国的风电技术已达到国际先进水平。市场规模的迅速扩大和技术创新能力的快速提升也促进了我国风电产业的全面发展，一个集原材料、零部件、整机和服务业的完整产业体系已初具轮廓。不过，我们也应看到，风电在我国电源结构中的比重仍不到1%，很多人仍然没有意识到风电在未来以“科学、绿色、低碳”为特征的新型能源体系中的重

23、要作用，并网和应用依然是近期风电发展的最主要障碍。站在目前4000万千瓦装机的新起点上展望未来的风电蓝图，壮志满怀之余，各方还应合力解决以下几个问题，才能使我国风电产业发展的又好又快。第一，发展和应用清洁能源是每个人的社会责任，要通过普及宣传，让全社会都认识到，加强包括风电在内的可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，是人类社会实现可持续发展的必由之路，从而为风电发展营造良好的舆论氛围；第二，欧洲的经验表明，风电并网和应用的主要障碍是观念和利益协调问题，要通过政策完善和体制机制创新，理顺利益结构，协调风电与其他行业的发展关系，破解风电并网瓶颈；第三，创新是企业、行业乃至国

24、家竞争力的源泉，要珍惜巨大风电市场带来的机遇，通过加大科研投入、建立国家公共技术研发和测试平台、加快人才队伍建设等措施不断完善技术创新体系，推动我国向风电技术强国迈进；第四，加强风电设备质量控制，避免以牺牲质量为代价的低价恶性竞争。同时，应进一步完善风电标准体系，并通过检测认证等第三方评价制度，贯彻落实标准的执行，进一步提升风电设备品质；第五，加强国际交流与合作，创造有利于风电发展的国际政策和贸易环境，促进国际资源整合，杜绝任何形式的贸易保护主义，争取使风电技术早日成为无国界的“绿色”技术，让风能为全人类谋福。第二章 SRG系统和运行原理2.1 SRG系统结构2.1.1 开关磁阻电机的特点对开

25、关磁阻发电机（ ，SRG）特点进行总结分析，可以得出SRG用于风力发电有如下优势：(1) SRG结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体，因此成本低廉；转子不存在铜耗，发电效率较高；SRG结构坚固，可在比较高温和恶劣的环境中可靠运行，适合风力发电的野外作业环境。(2) SRG具有优良的调速性能，能够在宽广的速度范围内稳定运行，因而可以适应不同风速的要求，更高效地利用风能。(3) SRG可控参数多，如开通角、关断角、斩波限、励磁电压等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流。(4) 若在直流输出的基础上采用逆变技术，则可以获得所需幅值和频率的交流电，进而实现并网发电，也可以

26、单独或与其他发电装置或储能装置联合发电。 (5) SRG具有自励能力，在自励模式下，只需小容量的直流起励电源，就可以自动建立电压。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。在风力充足时，一方面，SRG从蓄电池获得励磁，另一方面，又给负载供电，同时给蓄电池充电，将剩余的电能转换成化学能储存起来。当风力不足时，蓄电池的储能将释放出来，供负载使用。(6) SRG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。其功率变换器的开关器件与绕组相串连，不存在交流变频器中常出现的击穿事故故障，因而更加可靠。综上所述，其特点决定了SRG在风力发电领域的确有很大的发展

27、潜力。2.1.2 开关磁阻电机发电系统的具体构成开关磁阻电机通常和控制器一起工作，开关磁阻发电系统主要由SRG、功率变换器、控制器、检测电路四个部分组成，具体结构如图2-1所示。图2-1 开关磁阻发电系统结构图控制器是整个系统的核心，它能够综合处理电压指令、电压传感器、电流传感器、位置传感器的反馈信息，从而控制功率变换器主开关器件的工作情况，控制SRG发电机的运行。位置传感器可以捕获位置信号，它可以分为两大类：直接位置检测与间接位置检测，前者指磁敏式、光电式等含机械结构的检测方案；后者是指所谓的无位置传感器的检测方法，本文中所用到的传感器是用于电压电流进行闭环控制，因此采用霍尔传感器。2.2

28、SRG电机电动和发电原理SRG可以在四象限范围内灵活工作，可以实现电动、制动、发电运行。下面以6/4极三相SRG为例，详细讲解SRG的工作原理。图2-2表示该电机的横切面和一相电路的原理示意图，S1、S2是功率开关，D1、D2是续流二极管Us是直流电源。根据磁阻最小原理，当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2-2 6/4相开关磁阻电机剖面图当定子A相磁极与转子磁极不重合时，开关S1、S2合上，A相绕组通电，从而在电动机内部就会建立一个垂直方向的磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的

29、，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线oa向定子A相磁极轴线OA趋近。当两个轴线重合时，转子就会达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失，转子不再转动。此时断开A相开关S1、S2，闭合B相开关，即在A相断电的同时B相通电，建立以B相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方向转过30，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向旋转。依此类推，定子绕组A-B-C三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距，连续不断地按ABCA的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴

30、线沿ABCA的方向不断移动，转子沿ACBA的方向逆时针旋转。如果按ACBA的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着ACBA的方向转动，转子则沿着与之相反的ABCA方向顺时针旋转。与之相反，当电机处于发电状态时，此时若原动机拖动SRG使转子沿ACBA的方向逆时针旋转，如图2-2所示。当定子A相磁极轴线与转子磁极轴线重合时，开关S1、S2闭合，A相绕组通电，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。同电动运行时分析相似，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，产生使转子向顺时针方向转动的负转矩，在转到A相绕组定子极和转子槽中心重叠前关断S1、S2，绕组通过二极管续流，机

31、械能转化为电能回馈电源。如此依ABCA的顺序给各相绕组通电，电机便工作在发电状态。特别说明：开关磁阻的定子和转子都是凸出形式，转子与定子的相对位置改变了，那么他们之间的磁场也会改变，这就导致定子绕组的相电感不停的变化，在转子与定子磁极轴线重合时，此时电感最大；当转子磁极轴线与定子磁极中心线重合，此时电感最小。2.3 SRG发电模式 如图2.3和2.4所示图2.3 自励模式主电路图2.4 他励模式主电路SRG主要有两种工作模式，即自励模式和他励模式。自励模式，就是在电压建立的开始时刻，由外电源提供励磁，当电压达到稳定值后，关闭外部电源，再由SRG电机本身发出的电压提供励磁。在这种模式中，电压建立

32、以后不再需要外电源，系统体积较小，效率比较高。在他励模式下，励磁回路与发电回路是彼此独立的，它的线路也比较复杂，但由于在SRG运行过程中始终由外部电源提供励磁，励磁电压与输出电压没有关系，两者可以独立调节，因此控制起来会比较方便。自励模式中，以A相为例，当主开关、导通时，电容C对A相绕组进行励磁，同时给负载供电，当主开关、关断时，A相电流通过、续流，绕组内电流方向保持不变，但母线电流反向，一边给电容C充电，一边给负载供电。他励模式中，为励磁电源，电容C不仅储能，而且还能稳压。与自励模式不同是：在他励模式下励磁回路与发电回路彼此独立，因此其数学模型和发电机特性也与自励模式不相同。以A相为例，当主

33、开关、导通时，电源q对A相绕组励磁；当主开关、关断时，A相电流通过、续流，同时给电容C充电，并向负载供电。2.4 开通关断角的调节作用开通角和在SRG里面是最为重要的控制参数之一，因此合理的选择开通角和关断角对系统的性能将有非常重要的影响，总结前面的分析，开通关断角的调节作用如下：(1) 电动运行时，开通角对控制电流的作用是很明显的。若提前导通，则电流峰值和有效值增大。因为开通角小，电流建立就比较快，上升时间也长，电流就比较大。所以，调节开通角就可以间接调节电机的平均输出转矩。主开关关断角一般不影响峰值电流，但对相电流有效值有影响。关断角较大时，供电时间长，电流有效值大。但关断角的选取也间接地

34、影响着电机的有效转矩，关断角过大时，会产生反向转矩，影响电机性能。所以合适的选择开通角对电机的输出控制来说是很重要的。(2) 发电运行时，开通角和关断角都会影响相电流峰值和有效值的大小，发电工况需要同时调整开通角和关断角的关系，才能达到比较满意的控制效果，在不同的情况下，SRG发电系统就有相应的不同的开关角组合。2.5功率变换器 功率变换器同风力发电其他器件一样，也是实现系统正常运转不能缺少的部分。控制器通过功率变换主电路调节开关磁阻电机的输出，因此，功率变换主电路拓扑结构对系统的稳定运行发挥着不可替代的作用。开关磁阻电机中常用的？有不对称半桥型、双绕组型、电容分压型、公共开关型、电容转储型等

35、等，选择功率变换器的时候要注意根据不同的需求，选择相应的变换器。考虑到实际情况，在本系统中，选择的是三相不对称半桥型电路做主电路，如图2-5所示。 图2.5 功率变换器结构三相不对称半桥型电路每相有两个主开关，两个续流二极管，这里以A相为例具体说明功率变换器的工作方式。当和同时开通时，电压源E或者电容C向电机绕组A供电，从而提供励磁电流；而当他们同时关断时，相电流方向不会改变，经过续流，这一过程就是将机械能转换成电能的过程，在这个过程里面，电路电容得到充电，而且负载有电压，实际上就是一个发电过程。第三章 SRG风力发电系统控制为了更好地研究SRG风能最大捕获性能，在上节分析的基础上，设计控制系

36、统如图3-1所示。SRG的参考输出功率根据风力机转速确定，SRG的相电流通过功率闭环进行调节，根据风机转速调整调节器的控制参数，使控制系统在整个调速范围内均能获得良好的动态响应。功率调节控制的输出是相电流参考值，是各相的导通逻辑信号，SRG发出的电能通过电阻负载消耗。图3.1 SRG风力发电控制系统3.1 开关磁阻发电机的控制模式前面已经提到，开的关磁阻发电机转子是没有绕组的，因此他独特之处也有他的一些列优点。开关磁阻发电机的励磁是定子相绕组提供的，而且不同时间，分为励磁阶段和发电阶段，发电阶段是不能控制的，因此我们通常通过调节相电流的大小，从而来调节励磁，以达到调节发电输出的目的，可控参数主

37、要有开关角、关段角、励磁电压、相电流上限等等，主要的控制方式分为以下几种：角度位置控制、电流斩波控制、PWM控制。3.1.1 角度位置控制角度位置控制也称为单脉冲控制，这种控制方式很简单，相电流不可控其对开通角和关断角的变化很敏感，调节起来有点麻烦，角度位置控制就是通过调节开通角on和管断角off来调节相电流的，他们都直接影响着相电流的波形。当延长开关管的导通时间，相应的励磁电流也得到加强，因此输出功率增加。反之，则功率减小。角度位置控制的电机比较适合在短时间内快速达到期望电流的情形，比如高机械转速。在实际的开关磁阻发电机中，各相励磁情况不相同，各个相邻相还要有互感电动势的影响，因此各相电流不

38、对称，所以角度位置控制必须分别对各个相的开通角和关断角进行控制。3.1.2 电流斩波控制电流斩波控制是指用相电流与电流斩波限比较，开关管导通时，初始电流i是小于斩波限的，当相电流逐渐增大，并超越斩波限，那么就控制开关管关断一段时间，在前一直保持大于斩波限，那么则一直关断开关管。斩波限电流是可以调节的，增大斩波限上限，则相当于增加励磁时间，从而控制发电机的功率输出。电流斩波控制是比较常用的控制方式，因为他具有较小的开关损耗，但这种控制方式也有弱点，即电流的斩波频率不稳定，可以随电流的误差变化，产生电磁噪音。在本系统中，斩波控制方式发挥了良好的控制作用。3.1.3 PWM控制与前两种控制方式不同，

39、PWM控制是指在主开关的控制信号中加入PWM信号，调节占空比来调节励磁电流。当占空比比较大的时候，励磁区间也越大，励磁电流也越大，产生的电能也越大，即输出功率变大。PWM控制的可控性比较好，我们可以控制斩波频率和占空比，频率一般来讲都是固定，调节适当的频率可以控制相电流的变化频率。占空比与相电流最大值之间有突出的线性关系，再加入PI或者PID调节器，构成闭环控制系统，就能获得很好的动态性，当然，代价是开关管的开关损耗比较多。3.2 风力发电机最大风能捕获原理？如图3.2所示。图3.2 风力机的功率控制 由风轮机产生的机械力矩为： （3-1）其中是空气密度，是力矩系数，是叶尖速比，是桨叶节距角，

40、是桨叶半径，是风速。定义： 其中，为桨叶的角速度，则风轮机所捕获的所有风能为：其中为功率因数。 从图3-2可以推知，当风速固定时，风力机只有在某一固定转速下才能输出最大功率，风速改变了，转速也会跟着改变。交点处即为最佳功率曲线，因此若要保持最佳叶尖速比，那么必须在风速变化时及时调整风力机的转速。3.3 SRG风力发电控制器设计3.3.1 中、低风速时SRG的控制在中低风速时，控制变速风力机工作于最大功率系数处。其中代表风速，当风力机运行于最优风能利用系数时，每条风速曲线都存在一个最大功率点，该功率与风力机转速的三次方成正比。为了使系统捕获最大风能和最佳效率，可以调节下式：即为SRG发电功率的参

41、考值，这里，我们可以忽略损耗，近似认为风力机获得的能量全部用来发电，优化功率曲线如图中的OP段。3.3.2 高风速时SRG控制系统当风速增加时，捕获的风能也随之增大，但也不是越大越好，通常来讲，风力机获得的风能不能超过控制器和SRG系统所能承受的最大功率。为避免SRG超负荷载运行，可以利用浆距控制方法来调节风机，我们可以通过调节齿极角使功率系数减小，从而减弱系统所获得的风能。但是浆距控制率有限，在高风速条件下，还可以通过发电机转矩调节控制风力机叶尖速比进而调节功率系数。当风力机旋转速度到达浆距控制速度时，就开始进行浆距控制，发电机转矩逐渐上升到最大值，使运行点从P移动到S。发电机运行于最大转矩

42、状态，直到风力机转速低于。实际运行中，S和P点之间需要有一定的差值，以保证两种运行模式下不会发生振荡。上图中，为系统最大运行速度。的大小取决于浆距控制系统的控制能力。3.4 风能最大捕获方案在发电系统中，首先发挥作用的就是风机的叶轮，风机捕捉到风能并将其转化为机械能，机械能再通过电磁转换作用转换成电能，所以风机得到的风能直接影响能够发出的电能。风力机这一部分不是本文的研究重点，但是如果要得到最高的发电效率，则必须正确完整的了解风力机的基本的功率特性。在实际系统的设计中，要满足系统的稳定条件，并使SRG尽量工作在风力机的最佳功率负载特性曲线上，最高效率的利用风能。为了实现这个目标就需要对SRG的综合控制。控制方法很多种，但基本上都很复杂，而SRG却不相比于传统发电系统，它的诸多优点，比如可控参数较多、控制非常灵活等等为这些控制方案的实施，提供了有利条件。3.4.1 风速跟踪方案如图3.3，该控制方案原理如下：测风装置观测到实际风速，按照风力机最佳功率负载曲线的功率，与发电机的输出功率的观测值相比较得到误差量，经过PI调节器给出SRG