一种开关磁阻风力发电机新型功率变换系统及其最大功率点跟踪控制

2024-05-08 02:49:30赵紫帆孙冠群杨建青陆燕燕周志文
电气技术 2024年4期
关键词:励磁电磁阻励磁

赵紫帆 孙冠群 杨建青 陆燕燕 周志文

一种开关磁阻风力发电机新型功率变换系统及其最大功率点跟踪控制

赵紫帆1孙冠群1杨建青2陆燕燕2周志文2

(1. 中国计量大学现代科技学院,浙江 义乌 322002; 2. 国网新疆综合能源服务有限公司,乌鲁木齐 830011)

本文提出一种含可变励磁电压且所用开关管数量最少的新型开关磁阻发电机(SRG)功率变换器,包括主电路与励磁电路,主电路所需主开关管数量等于SRG相绕组数,励磁电路仅需一只主开关管。励磁电压与发电电压解耦并可独立控制,励磁电路无隔离环节并与主电路共地。在分析该新型功率变换器工作原理的基础上,针对变速风力发电应用工况,提出基于该新型功率变换器的SRG最大功率点跟踪(MPPT)控制方法,给出励磁电压扰动控制策略。通过对一台750W的SRG样机系统进行仿真和实验,并与基于共上管功率变换器的SRG风电MPPT进行比较,结果表明本文所述新型SRG功率变换器的输出功率增加1.5%,验证了该新型功率变换器及其控制策略的有效性。

开关磁阻发电机(SRG);最少开关功率变换器;主电路;励磁电路;变励磁电压;最大功率点跟踪(MPPT)控制

0 引言

开关磁阻(switched reluctance, SR)电机本体结构极其简单坚固,尤其是转子上无绕组和永磁体,成本低、耐高温高速,多年来在电机本体优化设计提升效率等方面不断取得进步,应用前景越来越受到业界期待[1-6]。但是,SR电机作为发电机使用即开关磁阻发电机(switched reluctance generator, SRG)相对少见。SR电机运行中需根据定转子凸极之间的相对位置关系,选定需通电工作的相绕组,各相绕组根据定转子相对位置关系分时通电,SRG工作时每相绕组内部又细分为励磁和发电两个阶段,按顺序分时进行,因此SRG的相绕组功率变换系统显得格外重要。由于其原理特殊,与传统电机变流器存在本质区别,所以SRG的功率变换器自成一系[4, 7-8]。

目前,已出现的SRG功率变换器中,应用最广泛的为不对称半桥结构的功率变换器拓扑[9-11],其缺点之一为开关管用量(2,为相绕组数)大,增加了开关损耗和控制复杂度,降低了可靠性。为了减少开关管用量,出现了共上管功率变换器拓扑[1, 12-13],主开关用量为1.5。

近年来出现的基于可变励磁电压的功率变换器[13-15],在功率变换器主电路上增加了励磁电路,但励磁电路所需开关管数量仍然较多,甚至还需要隔离变压器或因不共地增加其他部件,增大了功率变换器的体积、质量、成本及损耗,削弱了变励磁本身带来的优势。所以,发挥SR电机本体优势,开发结构简单、高效率、低损耗的变励磁功率变换器是SRG系统的发展趋势。

在SRG控制方面,提高SRG发电效率和效益,尤其是变速风电工况下的最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)控制性能等,成为研究的重要方向之一[8, 13-17]。但是,常用的不对称半桥结构功率变换器在基础控制性能提升方面,技术上到越来越多的瓶颈。当前,针对应用新型可变励磁功率变换器提升SRG控制性能的研究已获得一些成果[13-15],但存在变量多、控制过程复杂,以及功率变换器开关管较多或需要隔离环节等缺点。其中,文献[13]提出的基于变励磁共上管功率变换器和励磁电压扰动法的SRG风电MPPT控制在简易化方面取得了一定的进展。

本文首先提出一种新型功率变换器,励磁电压可变且无隔离环节,励磁电压与发电电压共地并解耦,是目前为止所需电力电子开关管数量最少的功率变换器,在分析该新型功率变换器工作过程的基础上,针对风电工况下的MPPT需求,改进励磁电压扰动法作为控制方法,并与基于共上管功率变换器的SRG系统进行对比,最后经仿真和实验验证该功率变换器的有效性。

1 功率变换器

SRG系统中最常见的功率变换器结构为不对称半桥结构,如图1所示[1]。

图1 不对称半桥功率变换器

图2 共上管功率变换器

图2为他励型共上管功率变换器,文献[13]采用此拓扑结构并结合变励磁电压电路构成SRG功率变换器。该功率变换器中的开关管K1和K4相对其余四只开关管,需承担两倍的工作量,开关工作不均衡。

本文提出新型最少开关功率变换器,其主电路实现了所用主开关管和主二极管数量均等于绕组数,相对于不对称半桥功率变换器,开关管用量减少50%。最少开关功率变换器主电路如图3所示[18]。

图3 最少开关功率变换器主电路

以M相绕组为例,励磁时,开关管K1和K2闭合导通,进入发电阶段时,断开K1和K2,M相绕组续流发电输出。对于四相SRG,四只开关管工作均衡。

图4 可变励磁最少开关功率变换器

1.1 最少开关功率变换器主电路分析

以M相为例,主电路工作过程如图5所示。

根据SRG实时转子位置信息,当相绕组M需投入工作时,首先开关管K1和K2闭合导通,励磁电流沿K1→M→K2给相绕组M励磁,此为励磁阶段,如图5(a)所示。励磁阶段结束时关断K1和K2,电流沿VD1→M→VD2输出电能,此为发电阶段,如图5(b)所示。其余相绕组工作过程与M相绕组类似。

图5 主电路工作过程(以M相为例)

根据SRG工作原理及图4和图5可见,每只开关管和二极管均分别为两相绕组的励磁和发电提供通路,相对不对称半桥式结构,开关管和二极管的利用率均提升了一倍。

图6 四相SRG各相绕组电感及其导通顺序

由图1~图6,以及不对称半桥功率变换器、共上管功率变换器和新型最少开关功率变换器主电路工作原理可知,它们的励磁阶段、发电阶段及换相过程极其相似,但开关管用量依次减少,且保留了传统功率变换器在SRG运行控制中的多数优点。

1.2 最少开关功率变换器励磁电路分析

励磁电路根据文献[19]提出的准cuk变换器结构改进而来,依据开关管K5的开关状态,将工作过程分为两种模式。励磁电路工作模式如图7所示。

开关管K5的PWM占空比需始终大于0.5[19],当K5闭合导通时,二极管VD5截止,电感1和2被充电,电容器3放电,此时1和3的电压和电流都相等,如图7(a)所示。当K5断开时,VD5导通,1和2放电,3被充电,如图7(b)所示。

图7 励磁电路工作模式

2 基于励磁电压扰动的控制策略

扰动观察法是SRG变速风电MPPT控制中一种无需测量风速的方法,主要通过施加转速信号扰动,在面对频繁的风速变化时,反应慢、误差大。后来出现了励磁电流扰动法,但其模型复杂且只能在励磁阶段间接控制相电流。本文应用最新的励磁电压扰动策略并加以改进。

根据贝兹证明,励磁电压扰动法的风力发电系统功率-转速变化关系如图8所示,功率-转速曲线表现为凸函数,故必存在最大功率点。励磁电压添加扰动量后,根据检测得到的转速和功率变化,决定下一步励磁电压的扰动量方向和大小。如果扰动后检测到输出功率增加,说明励磁电压的扰动量的方向是正确的;如果转速增大,表明此时风力机的机械功率大于SRG的输出功率。假设在时刻施加一个励磁电压扰动量后,出现以上两种情况,都需要在+l时刻增加励磁电压,从而增大励磁电流并增大输出功率;如果+l时刻检测到SRG的转速和输出功率均比时刻的值减小,则表明励磁电压应向相反方向调节,使转速增大,从而维持系统的运行并增加输出功率。

图8 风力发电系统功率-转速变化关系

励磁电压变化公式为

系数根据扰动时功率变化量的不同而不同,距离最大功率点越远,扰动后功率变化量越大,则取较大值,反之取较小值,当接近最大功率时,采用较小的值。由于扰动后功率和转速都降低,需要反向扰动,为避免出现转速不稳定,反向扰动值需要更大,从而能快速进入正向追踪,所以值应明显大于1。

功率变换系统所需的信息控制器收集实时励磁电压、发电电压、输出功率及转子位置和速度等信息,结合发电输出端的给定需求,输出针对全部五个可控开关管的控制信号。SRG风电系统控制原理如图9所示。

图9 SRG风电系统控制原理

3 仿真分析

首先,针对新型功率变换器和共上管功率变换器主电路进行仿真,仿真结果如图10所示。

图10 主电路仿真结果

图10(a)和图10(b)分别为低速、高速时,针对一相绕组,开关角和励磁电压相等时的仿真结果,可以看出,最少开关功率变换器与共上管功率变换器几乎无差别。励磁时当相电流超上限值后,迅速调低K5的占空比以降低励磁电压,进而使相电流降低。励磁电路仿真结果如图11所示。

图11 励磁电路仿真结果

基于变速风电工况,设置风速为6m/s时启动,考虑风速阶跃上升、渐变、负载阶跃、风速阶跃下降几种情况,变速仿真结果如图12所示。

图12 变速仿真结果

图12(a)为风速变化情况,其中12s时突加负载,将原本负载电阻100W增加到120W。从图12(b)可见,在启动、风速变化、负载变化时的超调、稳定所需时间,以及稳定后功率值等方面,最少开关功率变换器与共上管功率变换器的差别很小。

4 实验验证

在已有SRG系统专用实验平台上搭建相关实验系统,如图13所示。

功率变换器1为共上管功率变换器及其信息控制器,功率变换器2为最少开关功率变换器及其信息控制器。直流电动机转速模拟风速,由控制器及上位机对其控制,即输入预模拟的风力曲线后,上位机读取测功机的转速和转矩值,再通过控制器来调整直流电动机的转速,使其符合风力机曲线。其他相关参量与仿真时相同。实验结果如图14所示。

图13 实验系统

图14 实验结果

5 结论

本文提出的最少开关功率变换器总主开关管和总主二极管用量均为+1个,是目前SRG变励磁功率变换系统领域中功率开关器件用量最少的拓扑之一,在提升变换效率的同时,降低了开关损耗、控制复杂度和系统成本。同时,变励磁时无需隔离变压器,励磁电压与发电电压解耦且共地,可进一步减少损耗和成本。针对风电工况,提出了改进型励磁电压扰动控制策略,通过仿真与实验,与共上管功率变换器进行比较,在MPPT控制性能方面,新型功率变换器使发电输出功率增加1.5%以上,在中小功率等级领域具有一定的实际意义,尤其是面向直流微电网领域的应用。

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A novel power conversion system and its maximum power point tracking control for switched reluctance wind turbine

ZHAO Zifan1SUN Guanqun1YANG Jianqing2LU Yanyan2ZHOU Zhiwen2

(1. College of Modern Science and Technology, China JILIANG University, Yiwu, Zhejiang 322002;2. State Grid Corporation of China Xinjiang Comprehensive Energy Service Co., Ltd, Urumqi 830011)

A new type of switched reluctance generator (SRG) power converter with variable excitation voltage and the minimum number of switching tubes to date is proposed. The power converter consists of a main circuit and an excitation circuit. The main circuit requires a number of main switching tubes equal to the number of SRG phase windings, while the excitation circuit requires only one main switching tube. The excitation voltage is decoupled from the generation voltage and can be controlled independently. The excitation circuit has no isolation links and is common to the main circuit. The operating principle and control process of the new power converter are analyzed. A maximum power point tracking (MPPT) control method for the SRG based on this new power converter is proposed for variable speed wind power generation applications, and an excitation voltage disturbance control strategy is given. A 750W SRG prototype system is simulated and experimented, and compared with the SRG wind power MPPT based on a power converter with shared upper switching tubes. The results show a 1.5% increase in SRG output power based on this new variable excitation minimum switches power converter. The effectiveness of this new power converter is confirmed.

switched reluctance generator (SRG); power converter with minimum number of switches; main circuit; excitation circuit; variable excitation voltage; maximum power point tracking (MPPT) control

2023-11-14

2023-01-03

赵紫帆(2001—),女,山西省阳泉市人,硕士研究生,主要从事检测技术与自动控制、电力电子技术研究。

浙江省自然科学基金项目(LY20E070006)

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