开关磁阻电机在风力发电中的应用

开关磁阻电机在风力发电中的应用

发电机是风力发电机组中将机械能转化成电能的装置，是将绦动力与输出电畿连接的工具，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率，也影响到整个风电转换系统的性能和结构。因此，研制和选用适合于风瞧转换、运行可靠、效率高、控制性能良好的发电机系统是风力发电工作的重要组成部分。目前在风电市场，永磁同步电机和无刷双馈电机是应用的主流。近年来，随着风力发电的快速发展，开关磁阻风力发电机的研究取得了一定的进展。

开关磁阻电机是磁阻电机与现代电力电子技术!微机控制技术相结合的产物，它既继承了磁阻电机结构简单坚固的优点，又在高速发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得了良好的可控性以及较高容错能力。因此,它在驱动调速领域得到了广泛的应用,同时也在发电领域,如航天启动、发电系统和风力发电系统等应用方面，得到越来越多的重视。

开关磁阻电机具有结构简单、运行可靠、成本低、效率高、调速范围宽、控制灵活等优点, 已在诸多工业领域的调速和传动得到应用。1986 年，英国的N. N. Fulton 首先提出开关磁阻发电机并进行了开关磁阻风力发电机研究，之后R. Cardenas 等人研制成7. 5 kW 开关磁阻风力发电机。目前国外仍未有实用的开关磁阻风力发电机组投入使用（2004）。而国内对开关磁阻风力发电机的研究起步较晚，目前有中国矿业大学、南京航空航天大学及浙江大学等正在从事相关的研究，主要进行理论研究与实验验证方面的工作。

1、开关磁阻发电机适于风力发电的特点：

普通的发电机如：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，然而风速是时刻变化的，所以风轮机的转速必须固定不变(即恒速恒频发电系统)，导致风能利用效率低下。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)，而开关磁阻发电机正满足了这样的要求。

设计风力发电系统一般需要着重考虑以下几个问题：

( 1) 地将不断变化的风能高质量转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电。( 2) 高效率的实现两种能量转换，以降低每度电的成本。

( 3) 稳定可靠的同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。

据此衡量开关磁阻发电机，可以发现开关磁阻发电机用于风力发电的优势:

( 1) 开关磁阻发电机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) 开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕组、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，动态性能好。并且该系统是自同步运行，低频时，不会出现那种变频供电的感应电机在低频时出现的不稳定和振荡问题。因此即使在风速较低的情况下，通过合理的设计。开关磁阻发电机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，系统结构更加轻便、可靠，这也正是风力发电系

统的发展趋势。

( 3) 开关磁阻发电机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。

( 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，灵活的控制输出直流电压和电流。

( 5) 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。亦可以单独或与其他发电装置或储能装置联合发电。

( 6) 开关磁阻发电机具有自励能力，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，开关磁阻发电机从蓄电池获得励磁，另一方面，又给负载供电，同时给蓄电池充电( 由于SRG 发出的电流脉动有利于蓄电池的充电) 。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。

( 7) 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。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。此外，开关磁阻发电机结构坚固，耐高温性能好，十分适合风力发电的野外作业环境。

综上所述，关磁阻发电机在风力发电领域中具有很大的发展潜力和研究价值。

2、开关磁阻风力发电系统

开关磁阻风力发电系统，如图1 所示以开关磁阻发电机SRG 为机电能量转换的核心。主

要由六部分组成：

图1 开关磁阻电机风力发电系统的构成

( 1) 风力机，它是风能/机械能转换装置；

( 2) 开关磁阻发电机SRG及其功率变换器；

(3) 控制器，包括驱动电路、过压过流保护电路、电压电流检测电路、转子位置检测电路、单片机或DSP 最小系统电路等；

( 4) 蓄电池, 它是系统的储能装置;

( 5) 逆变器和负载，如果负载是直流负载，则不需要逆变器；

( 6) 辅助电源，用来给控制器提供+—15V、+ 5V等多路电源。

风力发电是一种很有前途的发电技术，正得到快速发展。由于开关磁阻发电机的特殊结构和控制特点，开关磁阻风力发电系统的风/ 电转换效率高、可靠性高、容错能力强、性能/ 价格比好，在风能利用中有着广阔的发展前景。目前，国内外的研究资料表明，开关磁阻电机在风力发电应用方面的研究还不够深入，尚未形成完整的理论体系。有必要对此作进一步的研究。