Z源网络强化励磁提高低速SRG效率

易灵芝，张敏枝，朱广辉，罗百敏，禹云辉，陈俊腾（.湘潭大学智能计算与信息处理教育部重点实验室，湖南湘潭 405；.湘潭牵引电气设备研究所有限公司，湖南湘潭 40）

Z源网络强化励磁提高低速SRG效率

易灵芝1，张敏枝1，朱广辉2，罗百敏2，禹云辉1，陈俊腾1
（1.湘潭大学智能计算与信息处理教育部重点实验室，湖南湘潭 411105；2.湘潭牵引电气设备研究所有限公司，湖南湘潭 411101）

∶针对低风速段开关磁阻风力发电机的运动电动势低于发电电动势、导致发电区间小于励磁区间的问题，将Z源网络耦合到励磁电源与不对称半桥功率变换器之间，强化励磁电压，加快励磁电流上升速度，减小励磁区间，提高低速发电效率；同时给励磁电容充电，实现快速自励；并通过Z源网络实现滤波，节省成本，减小体积。Matlab仿真实验表明∶与传统不对称半桥功率变换器相比，基于Z源网络新型功率变换器能明显提高SRG在低速段风能利用率和发电效率。20kW小功率样机测试结果也验证了新型Z源网络功率变换器能优化开SRG低速性能。

∶开关磁阻发电机；强化励磁；Z源网络；不对称半桥变换器

0 引言

20世纪80年代末人们对开关磁阻电机发电运行特性的研究，其区别于感应电机遵循“磁阻最小”原理，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。开关磁阻电机（switchedreluctancegenerator，SRG）SRG发电原理新颖，具有低速运行效果好，各相间独立工作、系统可靠性好，可控参数多、控制灵活等优点［1］。

常见的SRG功率变换器有不对称半桥变换器、公共开关型变换器、裂相式变换器、H桥变换器等。一个好的功率变换器需满足如下条件∶尽量少的开关数量，任意相SRG均适应，单极性供电，换相能力强，续流时能够将能量回馈给电源等［2］。

文献［3］中将SRG主电路拓扑结构进行了改造，通过自励方式达到强化励磁目的，但其公共开关管的开关次数增多，容易产生故障。文献［4］中提出一种基于相功率变换器构建励磁和升压斩波控制电路，缺陷在于输出母线电压纹波较大。文献［5］中提出一种基于Z源的DC/DC变换器，用于直流升/降压。文献［6］设计的模糊PID实现Z源逆变控制，提高输出性能。

本文以不对称半桥功率变换器拓扑为基础，耦合一个Z源网络，增强励磁电压；解决在低速情况下发电周期较长、励磁区相电流面积值较大，但由于运动电动势较小、致使发电区域面积相对较小、导致发电效率降低的问题，提高SRG利用率和效率。

1 开关磁阻发电原理

观察图1（a）所示的三相6/4极SRG横断面，转子无绕组，定子径向相对的两个绕组串联成“一相”，通过不对称半桥型功率变换器进行控制。SRG发电原理如下∶1）开关导通，直流电源提供励磁，电能转化为磁能储存在绕组中；2）开关断开，通过机械能转化过来的磁能再转化为电能通过二极管续流，绕组电流的方向不变，向电源回馈电能。

SRG一相绕组的等效电路为一个定值电阻Rs与电感L（θr，i）串联，见图1（b）。则a相绕组的电压方程可以表示为

由于绕组电阻较小，可忽略绕组压降。

在电感最大的时候励磁

图1 三相6/4极SRGFig.1 Three-phase6/4-poleSRG

由于SRG磁路非线性，为了便于分析，一般采用忽略磁路饱和、不考虑磁场边缘化扩散效应的SRG线性模型，可近似的用分段式线性表达其相电感。由图2可知，当SRG定子极与转子极中心线重合时，定义为0°，此时相电感最大。随着电机的转动，定子和转子间的相对位置发生改变，则相电感将发生变化。当转子转到θ2位置时，相电感开始减小，到达θ6时，相电感最小。

图2 电感曲线和CCC相电流波形Fig.2 WaveofinductanceandcurrentinCCC

由于低速发电运行时，运动电动势的方向与绕组端电压方向相同，电流增长更快，采用电流斩波控制（currentchopcontrol，CCC）可以限制电流峰值超过允许值，实现保护和电流调节功能。

由式（3）可知，当运动电动势高于相电压时，在主开关断开后电流上升，见图2中相电流Ia波形；当运动电动势低于相电压时，电流进人斩波状态，见图2相电流Ib波形。

a相电流上升的区间属于励磁状态，a相电流下降的区间为发电状态，励磁区间的面积值S1相对发电区域面积S2大，导致发电效率降低。由于发电过程不能直接控制，只能通过调节励磁参数来控制发电，所以，怎样减小励磁区间的面积成为问题的关键。

忽略开关损耗、铁耗的影响，SRG效率为

其中Pin和P0分别为SRG输人/输出功率。

2 Z网络功率源变换器

当SRG转速较低时，ω较小，运动电动势小于发电时的相电压，电流在开关关断时刻无法增加，导致利用率和转换效率降低。在SRG的开通角和关断角固定不变、斩波限固定的条件下，可以通过强化励磁电压，使励磁电流获得更快的上升速度，减小励磁区间的面积。

本文将Z源网络耦合到SRG的励磁电源和功率变换器中，见图3（a），假设L1=L2且电感值较大，C1=C2且电容值也较大，那么Z源网络就是一个完全对称的拓扑，两电感和电容上的电压相等，在励磁阶段通过Z源网络升压，增大电流变化率，提高低速段SRG发电效率。

3 Z源网络功率变换器工作模式

1）初始阶段，T1、T2、T3都关断的时刻，电源US给电容C1、C2充电，此时

UL1=UL2=UL，UC1=UC2=UC。 （7）

2）T1、T2导通，T3关断时，等效电路见图3（b）所示。电容C1、C2处于放电状态，输人二极管D1反偏，电源US被隔离，SRG绕组由双电容供电，L1、L2、L的电流增加，假设C1、C2的电流参考方向向上，则

3）T1、T2关断，T3导通时，状态等效电路见图3（c）。此时，由于开关断开，电感L1、L2、L释放能量。L1上的电压反向，二极管D1承受正向压降导通。SRG绕组中的电能通过不对称半桥变换器的续流二极管和T3反馈到电源US，同时L1、L2剩余能量也转移到电源US；源网络促使发电电压升高，同时，发电电压可以通过L2、C2组成的LC滤波器进行滤波。

图3 Z源网络功率变换器及工作模式Fig.3 OperationmodeofZ-sourcenetworkconverter

4 Matlab仿真实验

为验证新型Z源网络功率变换器的性能，在Matlab仿真平台上，建立开关磁阻风力发电系统仿真模型［7］，进行相关仿真实验。在原动机的牵引下，SRG额定转速为150r/min，考虑低速性能，选择SRG工作在200r/min。

SRG风力发电系统仿真采用CCC斩双管的控制方式，即同时切断同一相的两个开关，使绕组电流上升更快，无中间单管续流环节，但是增加了开关损耗。

按照文献［8］对Z源网络参数进行初步计算再调整优化，得到系统主要电路参数见表1。L1、L2、C1、C2、L的取值要经过计算，使Z源网络处于非断流状态。

表1 系统主要参数Table1 Systemmainparameters

开关磁阻发电系统的可控参数很多，为了防止相电流在下相导通以前下降到0，设置开通角、关断角固定不变，分别是开通角θon为15°，关断角θoff为35°，导通比始终小于0.5。励磁电源经过Z源网络，使励磁相电流能快速上升，保证励磁区间小于发电区间。电流斩波范围为35～45A。

低速条件下，基于不对称半桥电路功率变换器的SRG相电流仿真波形如图4（a）所示，受斩波控制，在励磁阶段励磁电流在40A上下波动（±5A）。在一相绕组周期内，开关关断次数少，电流上升时间长，发电区间的面积稍大于励磁区间的面积。经式（5）计算得S1/S2=0.85。

基于Z源网络功率变换器的SRG相电流仿真波形如图4（b）所示，在Z源网络的作用下，励磁电压升高，相电流上升时间明显减短，而且斩波次数增加，在一相绕组周期内的发电区间面积增大。经式（5）计算得S1/S2=0.79。

功率对比见图4（c），功率都采用有效值，实线P1为SRG输人功率，虚线P2为基于Z源功率变换器的SRG输出功率，虚线P3为不对称半桥变换器的SRG输出功率。由图可知，P2/P1＞P3/P1，证明基于Z源功率变换器的SRG低速段发电效率明显提高。

图4 SRG低速段仿真结果Fig.4 SimulationresultsofSRGinLowspeed

5 小功率SRG样机研发

为了验证基于Z源网络功率变换器能通过强化励磁提高低速段SRG发电效率，采用MPC82G516A单片机控制器研制一套20kW开关磁阻发电机实验样机，见图5（a）。采用三相异步电机变频调速系统模拟风机，原动机与SRG采用轴对轴连接，将输人的机械能转化为电能。实验过程中，通过自行研发的监控软件检测各相的输出信号。

由于a、b、c三相的电流波形相似，见图5（b），故只对其中一相进行测试，测得的a相电流见图5（c）。从图5（d）可以看出∶输出电压波动较小，证明Z源网络具有滤波作用。电力分析仪MI2392测得的数据在PC上显示得到的a相电压、电流波形如图5（e）所示。比较图5（c）和图5（e）可知∶用监控软件实验结果和仪器测量结果相一致。样机采用CCC，每相电流控制在35A左右，且每次电流上升速度都很快。

在原动机转速为200r/min时，SRG轴上转速见图5（f），SRG输出功率见图5（g）。

从图5（g）和图4（c）可以看出输出功率的仿真实验和小功率样机实验结果基本一致。

图5 20kWSRG及其监控结果Fig.5 Monitorresultsof20kWSRG

图6 不同转速的输出功率检测结果Fig.6 Outputpowerofdifferentspeedtestresults

测量低速段不同转速下的输出功率，绘制成图形，见图6。

由图7可知，耦合了Z源网络功率变换器的SRG在低速段的发电效率比传统不对称半桥功率变换器SRG要高。

用JN-338转矩转速测量仪测得SRG轴上转速为200.4r/min时，SRG的输人转矩为192.31N.m，输人功率大约为4kW，见图8。

图7 20kWSRG不对称半桥和Z源发电效率Fig.7 AsymmetrichalfbridgeandZsourcepower generationefficiencyof20kWSRG

图8 仪表测得的SRG转速、转矩和输入功率Fig.8 Speed，torqueandinputpowerofSRG

以上实验结果和仿真的结果基本一致，验证了Z源网络对开关磁阻发电机具有强化励磁，提高低速发电效率的能力。

6 结论

在理论推导基础上，采用电流斩波控制，搭建基于Z源的SRG功率变换器拓扑仿真模型，实验结果表明，它具有以下几个优点∶

1）开关磁阻发电机在低速阶段采用CCC控制，开关频率较高，为了防止相电流在下相导通以前下降到0，提前进人下个周期，发电阶段开关导通比总小于0.5；

2）在励磁阶段，励磁电压增加，有利于绕组电流的快速上升，优化发电性能；

3）在发电阶段，发电电压可以通过Z源网络进行LC滤波。

综上所述，将Z源网络耦合到功率变换器中，能优化SRG低速段性能，为研发低速直驱开关磁阻风力发电提供指导。

∶

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（编辑∶刘琳琳）

ResearchofhighefficiencybasedonZ-sourcenetwork strengthexcitationforSRGinlowspeedperiod

YILing-zhi1，ZHANGMin-zhi1，ZHUGuang-hui2，LUOBai-min2，YUYun-hui1，CHENJun-teng1
（1.KeyLaboratoryofIntelligentComputing＆InformationProcessing，MinistryofEducation，XiangtanUniversity，Xiangtan411105，China；2.XiangtanElectricDrawingEquipmentResearchLaboratoryCoLtd，Xiangtan411101，China）

∶Inlowwindspeed，themotionalelectromotiveforceofswitchedreluctancegeneration（SRG）is lowerthanthegenerationelectromotiveforce，resultingingenerateelectricityintervallessthantheexcitationinterval.Aimingattheseproblems，Z-sourcenetworkwascoupledbetweentheexcitationpower sourceandasymmetricalhalf-bridgepowerconverter.Ithasmanyadvantages，suchasstrengthentheexcitationvoltage，acceleratingtherisingspeedofexcitationcurrent，shrinkingexcitationinterval，increasingtheefficiencyoflowspeedpowergeneration，andchargingtheexcitationcapacitortoachieverapid selfexcitation.Thecostcanbesaved，andvolumecanbereducedwithself-filterbyZ-sourcenetwork. MATLABsimulationresultshowsthatthenewpowerconverterbasedonZ-sourcenetworkcanimprove thelowspeedwindenergyutilizationandSRGpowergenerationefficiency，comparedwiththetraditional asymmetricalhalf-bridgepowerconverter.SmallpowerprototypetestresultalsoverifiedthatthenewZ-sourcenetworkpowerconvertercanoptimizeSRGlowperformance.

∶switchedreluctancegeneration（SRG）；strengthenexcitation；Z-sourcenetwork；asymmetric half-bridgepowerconverter

∶TM352

∶A

∶1007-449X（2015）11-0066-06

∶2013-06-16

∶国家自然科学基金（61572416）

∶易灵芝（1966—），女，硕士，教授，研究方向为交流调速与电力电子装置、新能源发电、直流微网；

张敏枝（1987—），男，硕士研究生，研究方向为开关磁阻风力发电系统；

朱广辉（1967—），男，高级工程师，硕士生导师，研究方向为新能源发电；

罗百敏（1954—），男，高级工程师，研究方向为电机设计；

禹云辉（1987—），男，硕士研究生，研究方向为开关磁阻风力发电机控制；

陈俊腾（1990—），男，学士，研究方向为直流微网。

∶张敏枝

DOI∶10.15938/j.emc.2015.11.010