基于MATLAB的开关磁阻发电机非线性建模与仿真胡鹏，杨玉岗，高奇（辽宁工程技术大学Hi气与控制工程学院，葫芦岛125105;）摘要:基于开关磁阻电机的非线性数学模型，利用Matlab/Simulink中的相关模块建立开关磁阻电机发 电系统的非线性仿真模型利用该模型对一台三相12/8结构样机进行了仿真，仿真结果证明了该模型的有 效性首先采用传统的PTD控制建模，后设计了带有修正因子的模糊PTD控制器，捉高了系统的稳定性，改 善了动态性能仿真试验表明开关磁阻发电系统能够稳定地发出电压为220V的直流电关键词：开关磁阻发电机；模糊控制；仿真；非线性电感；Study on Nonlinear modeling and Simulation of The SwitchedReluctance Generator Using Matlab softwareHu Peng, Yang Yu Gang, Gao Qi(Liaoning Technology University; College of Electrical and Control; Hulu dao 125105; China)Abstract: Based on the mathematical model of switched reluctance motor,a nonlinear modeling of switched reluctance generator is built up using relative blocks of Matlab/Simulink. A 3-phase 12/8 structure prototype SRM is simulated using the proposed model, the effectiveness of the model is demonstrated by the simulation result.Firstly, the traditional PID is used for this model,then designing the fuzzy controller with the correction factor adds to the PID model, This improves the system stability and dynamic performance. The simulation showed that SRG power generating system can stabilized issue the voltage of 220 VDC.Key words: switched reluctance motor； fuzzy control； simulation； nonlinear inductance；1引言21世纪将进入风能发展的髙速阶段，风力发电 作为不受地域限制、可持续开发、不污染环境的理 想能量来源从1978至今的二十五年中，得到了人力 开发，并不断向多元化，设备大型化、实用化、高 效化，成本的低廉化方向发展。
开关磁附式风力发电系统采川开关磁阻发电机, 开关磁阻电机能呈密度大，结构简单，可靠性高，没冇去磁效应系统在并M时没冇电流冲击，运行 过程中，开关磁阯发电机可控参数多，如开通角、 关断角等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵 活的控制输fli直流电压和电流，但由于开关磁阻电 机（SR电机）磁路的非线性，在运行期间其绕组电 感不是常数，而是电流和转了位置角的杂函数，难以川解析式來表达,因此在研究SR发电系统的控 制方法时，建立一个能很好反映系统实际工况的非 线形模型是十分必要的本文根据SRG的结构特点文献［1］将开关磁附 电机的电感进行傅利叶分解，去掉三次以上的谐波 得到较为精确的SRG非线性电感模型，以非线性电 感模那为基础，利用MATLAB仿真软件建立了开又磁 阻发电系统的数学模型，以三相12/8结构样机为仿 真对象，比较传统的PTD控制和模糊PID控制的不 同，采用公式型模糊控制方法，可以克服SRG变参 数、变结构和非线性等因素，从而可以提高整个控 制系统的鲁棒性，提高控制性能 2非线性电感模型SRG的电感是冇关角度和电流的一个非线性 兌杂方程式，考虑到实际的应用，文献［lj中捉出实 际SRD的电感解析表达式为：L、6, /） = Ao + {（| + L3 ）［1 — cqs{Nr6 — ）］ + L2Icos 2（Nre 一 ％） — 1 j + A3［cos 3（yV^-^）-lj}ax +z用五个系数就可以粘确的表示SR电机的非线性电 感。
LpL,表示电感随转了位置变化的常数, 系数4为电感随相绕组电流i变化的常数％是电 感曲线的初相角根裾文献［2〜3］中的方法可得到本 文研究的5kW、220V,三相（12/8极）SRG的系 数.2.1 SRG的非线性数学模型dtdLAdj.)[-及厂吻j^ + 孓d&de dt忽略铁心损耗及相M互感可得SRG的数学模 型为［3|:Tj = [ij -aA ln(, + z\) + lntz, Jl(L, + L3)Nr- sin(Nr0 -(p(}j) - 2L2Nr-sin 2(Nrd -〜•)- 3L3Wr-sin 3(7Vr 汐-〜)]式中:J=1，2,307 = 10 0广2^/37 = 2 >4^/37 = 3根裾1.2中所述的SRG的非线性数学模型，利 川MATLAB仿真软件建立开关磁阻发电系统仿真 模型如图1所示I5_8】阁1 SRG发电系统非线性仿真模哂2.2基于MATLAB的开关磁阻发电系统仿 真模型式中:WTC各相非线性电感的表达式为：L外 /y.) = A)+ f(A+^)U-cos(/vr^-%y)j + ^[cos 2(Nl.0-(p,j)- 1] + L[cos 3( % )-1]}dL-^- = [(,4- L,)Nrsin( Nrd-%y)-2^；7厂 sin 2(Nr3-(p0j)-3L,Nrsin 3(脚-%z)]-^― 6Z +ijdL--^ = {(,+^)11-cos(^.^-%. )1 + 1,Icos2(W—) — 1J + L,[cos3(W—%,■) — 1J} (::; )2 非线性转矩：Fig.l Nonlinear simulation module of switched reluctance generator system其中模块（1）为根拋SRG非线性数学模型所 建立的三相电感模型，其子系统如图2所示。
dun0jr3图2 SRG发电机的三相电感仿真模型Fig.2 Three-phase simulation module of switched reluctance generator 其中dianganl〜diangan3三个槐块为根掘各项 非线性电感表达式所建立的非线性电感模型，K一阁3 SRG发电机的一相电感仿真模概Fig.3 Simulation module of the one-phase of switched reluctance generator模块（2）为角度转换模块，艽作用为产生各相 转子的当前位置如阁4所示，对于12/8结构的开 关磁阻发电机，相电感周期为45, A、B、C各相 相差15\所以在模型中采用了 45求余阑数模块图4转子位置角度转换校块仿真框图Fig.4 Rotor position and angle conversion module模块（3）为逻辑综合模块，艽作用为根裾各相 转角位置决定各相脉冲次序K中的S-Function为Fig.5 Logic synthesis module 模块（4）为电源和负载模块，提供自励发电时Fig.6 The simulation module of power and load模块（5）为电流斩波模块。
它通过滞环实现相 电流的两态斩波控制图7电流斩波模块仿真框图Fig.7 Current chopper module模块（6）为功率变换器模块，采用不对称半桥 结构，其仿真框图如图8所示，该模块的功能为根 据控制信兮來控制主开关管的通断，从而使发电机 处在励磁或发电状态阁8功率变换器模块Fig.8 Power converter module 模块（7）为PID子系统模型，其仿真框图如图9所示p图9 PID系统模型Fig.9 PID module3仿真结果仿真分为加上模糊控制器和未加模糊控制器两 种情况•3.1典型的PID控制时的仿真结果^,=12,关断角氏#=360在仿真中，转速初始设定值为1500r/min，在 0.3s时转速变为1400r/min,可见，此时电压在 短柯的波动后立刻恢复到稳态值开通角图10为是以线电流波形，因为SRG分励磁和发 电两个阶段，W此母线电流基本呈周期性的正负变 化，开始建压吋震荡较小，建压完成后，震荡的幅 值菽木不变图10母线电流Fig.10 Bus current发电电压波形如阁11所示由阁11的普通PID 控制方法的发电电压可见，控制效果良好麟兩图11 PID控制方法的电压斩波波形Fig.l 1 Voltage waveform under PID •3.2加载模糊控制器时的仿真通常的模糊控制器用的是语言型和表格沏模糊 规则，这种控制规则一旦存入模糊控制器就很难进 行实时修改，本文采用的是带加权因子的公式型模 糊控制器。
公式型模糊控制器系统框阁如阁12所示—► de/dt —> Kec阁12公式型模糊控制器系统框阁Fig. 12 System diagram of formula type fuzzycontroller加模糊控制器后的模糊PTD控制器MATLAB仿真 模型如阉13所示当误差较大时P1D控制器的输入 进入饱和状态，模糊控制器起主要作用，使系统偏 差快速减小，当偏差较小时，模糊控制器的输入进 入死区状态，输入为0,此吋PID控制器起主要作图13模糊PID控制器MATLAB仿真模型Fig. 13 Matlab simulation model of fuzzy PID controller加载模糊控制器后的发电电灰波形如阁14所 乐，与普通PID控制方法的发电电压相比可见控制 效果良好图14发电电压波形Fig. 14 Voltage waveform4结论本文以对SR电机数学模型分析和有限元计算 为基础，用Matlab/Simulink软件建立了 SR电机发 电系统的仿真模型在Simulink中建立起的模块化 系统模型，对控制策略进行修改时以需增加或减少 相太的功能模块，所以说该模型4:对系统进行控制 策略优化阶段足十分方便和直观的，P1D控制方法 的发电电压趋于稳定，采川带奋修正因子的模糊控 制方法能使控制效果变的更好。
作者简介：杨玉岗，男，1967年7月牛，内蒙古人， 1997年毕业于清华大学电机系电力电子与电力传动专业，获得工学博士学位，辽宁工程技术大学电 控学院校聘教授，硕士生导师1998.2〜2001.2, 深圳华为公司电源研发部，任电磁研究室主任； 2004.9〜2004.12,德国Clausthal工业大学电力工 程系，高级访问学者；2006.1〜2007.1,美国弗吉 尼亚理工学院暨州立大学，电力电子。