磁懸浮風力發電機零偏置電流控制策略研究

王 曉，謝振宇，周紅凱

（1．南京航空航天大學機電學院，南京 2100162；2．江蘇省精密與細微制造技術重點實驗室，南京 210016）

磁懸浮風力發電機零偏置電流控制策略研究

王 曉1，2，謝振宇1，2，周紅凱1，2

（1．南京航空航天大學機電學院，南京 2100162；2．江蘇省精密與細微制造技術重點實驗室，南京 210016）

建立了5自由度磁懸浮軸承支撐的垂直軸風力發電機轉子試驗系統，研制了零偏置電流模擬控制器，通過試驗方法研究了該控制器對系統動態性能的影響。結果表明，零偏置電流控制方式在顯著降低磁懸浮軸承電能損耗的同時仍然能夠保證垂直軸風力發電機轉子系統穩定運行。

風力發電機；電能損耗；零偏置電流；動態性能

面對世界性的能源匱乏和環境惡化等問題，風力發電機作為一種清潔能源產生裝置，越來越受到人們的重視。與水平軸風力發電機相比，垂直軸風力發電機的主要優點是無需對風、結構簡單、維修維護方便等；另外小型垂直軸風力發電機低噪聲和美觀等特點能夠有助于實現城市中風電建筑一體化。

本文研制的垂直軸磁懸浮風力發電機轉子試驗系統包括：發電機定子、發電機轉子、磁懸浮軸承以及剎車部件。磁懸浮軸承具有無接觸、無磨損、無需密封和潤滑等優點，將其作為支承部件，可以降低風力發電機的啟動風速［1］。但磁懸浮軸承本身也需要消耗電能，當風速較低時，風力發電機產生的電能尚不能滿足磁懸浮軸承自身的消耗，因此減少磁懸浮軸承的電能損耗可進一步降低啟動風速，提高系統效率。

已有研究表明，采用零偏置電流控制方式能夠有效降低磁懸浮軸承自身的功耗。Kenzo［2］最早提出零偏置電流控制策略，并將其應用到儲能飛輪系統中。Tsiotras等［3－4］采用Lyapunov方程分析了零偏置電流控制系統的穩定性。應用于垂直軸磁懸浮風力發電機轉子試驗系統中，Toshiyuki等［5］研究了H∞零偏置電流控制策略對儲能飛輪動態性能的影響。本文將零偏置電流控制方式研制了5自由度零偏置電流模擬控制器，通過試驗方法研究了該控制器對系統動態性能的影響。

1 試驗系統

圖1為垂直軸磁懸浮風力發電機轉子試驗系統的機械結構圖，發電機轉子由兩個徑向磁懸浮軸承和一個軸向磁懸浮軸承支承，圖1中標號名稱：1為發電機轉子，上端可通過聯軸器和風輪聯接，2為下徑向磁軸承，3為永磁電動／發電機，4為軸向磁懸浮軸承，5為上徑向磁懸浮軸承，6為復合材料剎車片。

根據總體設計，風輪和發電機轉子的總重量G為4 100 N，極轉動慣量Jp為520 kgm2，最高轉速n為120 r／min，由風力載荷和離心力所引起的最大徑向載荷F 為4 000 N，徑向載荷F作用點與發電機轉子上端間距離l1為320 mm，發電機轉子上端與上徑向磁懸軸承間距離l2為233 mm，兩個徑向磁懸浮軸承間距離l3為428 mm，要求剎車時間t約為30 s［6］。

圖1 系統機械結構圖Fig．1 Mechanical structure of the system

2 零偏置電流模擬控制器

一般主動磁懸浮軸承為差動結構，即兩邊電磁鐵產生的磁場為偏置磁場和控制磁場的疊加，分別由偏置電流與控制電流產生。零偏置和有偏置電流控制時電磁鐵中的電流分別如圖2和圖3所示［7］。

圖2 零偏置電流控制示意圖Fig．2 Schematic illustration of zero-bias current control

圖3 有偏置電流控制示意圖Fig．3 Schematic illustration of bias current control

由圖2可以看出，在零偏置電流控制方式下，當轉子懸浮至指定位置時，兩個差動電磁鐵均無電流；當轉子位置偏離指定位置時，在某一時刻兩個差動電磁鐵中只有一個有電流，另一個沒有電流，通過差動電磁鐵中電流差值產生合適的磁場力將轉子拉回指定位置。

由圖3可知，在有偏置電流控制方式下，無論轉子處于何位置，偏置電流始終存在，兩個電磁鐵中在每一時刻均有電流。所以與有偏置電流控制方式相比，采用零偏置電流控制方式可以大大降低電磁鐵自身的功耗。

本文中，零偏置和有偏置電流控制器采用PID控制策略，其傳遞函數可表示為

式中kp為比例系數，ki為積分系數，kd為微分系數，Td為微分時間常數。

零偏置電流控制器的原理圖如圖4所示，其基本思想是將系統的位移控制信號同時送入過零電壓比較電路和開關門電路中，由過零電壓比較電路生成開關門的控制信號Uh或Ul來控制開關的開斷；由此將系統的位移控制信號分為正值部分與負值部分，并將這兩部分分別送入兩路功率放大器中，實現在某一瞬時兩個差動電磁鐵中只有一個電磁鐵有電流。

過零電壓比較電路如圖5所示，該電路采用LM311芯片作為主芯片。將峰值VPP為10 V，頻率f 為5 kHz的正弦波信號輸入該電路，輸入和輸出信號如圖6所示，其中示波器通道1采樣信號為輸出信號，通道2采樣信號為輸入信號。由圖6可見，輸出信號為高低邏輯電平，可用來作為開關門電路的控制信號，高電壓為＋2．5 V，低電壓為－1 V。

圖4 零偏置電流控制原理圖Fig．4 Principle diagram of zero-bias current control

圖5 過零電壓比較電路Fig．5 Zero voltage comprison circuit

開關門電路采用模擬開關芯片作為主芯片，其中四個徑向自由度采用一塊ADG511芯片和一塊ADG512芯片，軸向自由度采用一塊ADG513芯片。這三塊芯片內各自有四個單擲開關，其中ADG511芯片的邏輯控制端為低電平，ADG512芯片的邏輯控制端為高電平，ADG513芯片中兩個開關的邏輯控制端為高電平，另外兩個為低電平，邏輯控制端輸入均為VINH＝2．4 V，VINL＝0．8 V。因此過零電壓比較器產生的邏輯電平能夠滿足開關門電路的輸入需求。

圖7所示為由模擬開關ADG511芯片構成的開關門電路。系統的位移控制信號通過開關門電路后將信號分為了正值部分和負值部分，如圖8所示，其中示波器通道1采樣信號為系統位移控制信號的正值部分，通道2采樣信號為位移控制信號的負值部分。由圖8可以看出，開關門電路的輸出滿足設計要求。

圖6 開關門控制端邏輯信號Fig．6 Logic signal of chip switch control end

圖7 ADG511芯片開關門電路Fig．7 ADG451 chip switch gat ecircuit

圖8 經過開關門后控制信號示意圖Fig．8 Schematic diagram of chip swit chcontrol signal

3 零偏置電流控制系統功率放大器

在本文中的零偏置電流控制系統中采用電壓—電流型開關功率放大器，兩個半橋功率電路中母線電壓為DC110V。

零偏置電流控制系統中的功率放大器在各個自由度上均需要分A、B兩路獨立的功率電路，并且與相應的差動電磁鐵對應。在此本文以A路功率電路對零偏置電流控制系統中的功率放大器進行說明。有偏置電流方式與零偏置電流方式下A路功率電路的工作原理框圖分別如圖9與圖10所示。

圖9 有偏置電流功放原理框圖Fig．9 Schematic diagram of the bias current amplifier

圖10 零偏置電流功放原理框圖Fig．10 Schematic diagram of zero bias current amplifier

當只有偏置電壓時，能夠產生占空比為50%的PWM波，此時功放輸出所設計的偏置電流。當沒有偏置電壓時，控制信號與電流反饋信號（模擬電壓量）能夠產生占空比為0%～50%的PWM波。偏置電壓、控制信號以及電流反饋信號三者相互疊加可以產生占空比為0%～100%的占空比的PWM波，即輸出電流值為0 A～2 I0（I0為偏置電流，本文中為2．5 A）。在零偏置電流控制系統中，功率放大器的PI控制器輸入電壓信號中，去除了偏置電壓，只有模擬零偏置電流控制器輸出的控制電壓與對應的線圈電流反饋信號。為了滿足原來的控制邏輯，當去除偏置電壓，即功率放大器為零偏置電流方式時，必須將功放輸出增益變為原來的兩倍。零偏置電流功放實物圖如圖11所示。

圖11 零偏置電流功放實物圖Fig．11 Photo of zero bias current amplifier

4 試驗研究

由于垂直軸風力發電機轉子在垂直方向所受到的總載荷（重力與風力載荷之和）始終朝下，因此在本文中軸向磁懸浮軸承采用單邊電磁鐵結構，軸向自由度采用有偏置電流控制方式，偏置電流為2．5 A。為了進行對比研究，在徑向四個自由度分別采用零偏置和有偏置電流控制方式，偏置電流分別為0 A和2．5 A。垂直軸磁懸浮風力發電機轉子試驗系統的實物照片如圖12所示。

圖12 試驗系統實物照片Fig．12 Photo of the experimental setup

4.1 徑向控制參數穩定區域

根據穩定區域，選定軸向自由度的控制參數分別為：比例系數kzp為2．72，積分系數kzi為16．8，微分系數為kzd為0．037，微分時間系數Tzd為1．12×10－5s。

徑向四個自由度分別采用零偏置電流與有偏置電流控制方式，當積分系數kri為18．6和微分時間系數Trd為1．12×10－5s時，測得徑向自由度控制參數的穩定區域如圖13所示。由圖13可知，采用零偏置電流控制方式時，比例系數krp取值范圍為1．4～3．05，微分系數krd取值范圍為0．008 1～0．042；采用有偏置電流控制方式時，比例系數krp取值范圍為1．14～3．35，微分系數krd取值范圍為0．006～0．051。與有偏置電流方式相比，零偏置電流方式將導致穩定區域減小。

圖13 徑向控制參數穩定區域Fig．13 Stability range of the radial control parameters

4.2 靜態懸浮

軸向自由度的控制參數仍如前所述。當徑向四個自由度分別采用零偏置和有偏置電流控制方式時，根據圖13，選定徑向四個自由度的控制參數如表1所示。在上述控制參數作用下，轉子在五個自由度方向上均能穩定懸浮至指定平衡位置。

表1 控制器參數Tab.1 Control parameters of the system

當徑向四個自由度采用零偏置電流控制方式且轉子穩定懸浮時，徑向第一自由度差動電磁鐵中的電流如圖14所示。由圖14可知，電磁鐵中一邊有電流，另一邊電流為零，其余三個徑向自由度與此類似。

圖14 零偏置電流控制差動電磁鐵中電流Fig．14 Current of differential magnet under zero-bias current control

當徑向四個自由度采用有偏置電流控制方式且轉子穩定懸浮時，徑向第一自由度差動電磁鐵中的電流如圖15所示。由圖15可知，差動電磁鐵兩邊均有電流，并且電流值均比采用零偏置電流控制時大。

圖15 有偏置電流控制差動電磁鐵中電流Fig．15 Current of differential magnet under bias current control

4.3 系統運行試驗

徑向四個自由度分別采用零偏置與有偏置電流控制方式，控制參數仍如前所述。采用變頻電源驅動試驗裝置中的內置永磁電動／發電機，帶動轉子由靜止旋轉至120 r／min。

在系統運行過程中，將徑向第一自由度的位移傳感器輸出信號和電流傳感器輸出信號分別接入HP35670A動態信號分析儀進行數據采集。利用HP35670A采集轉子振動幅值以及在振動信號中所包含的頻率信號，用同樣的方法采集電流變化幅值以及電流信號中所包含的頻率信號，然后利用origin軟件繪制出所測位置的轉子同頻振動幅值曲線，如圖16所示，以及對應的同頻電流變化幅值曲線，如圖17所示。由圖16可以看出，當采用零偏置電流控制方式時，轉子的同頻振幅較大，但系統仍然能夠穩定運行，轉子振動保持在合適的范圍內。由圖17可以看出，當采用有偏置電流控制方式時，電磁鐵中平均電流為3 A；而當采用零偏置電流控制方式時，電磁鐵中平均電流為1．75 A。與有偏置電流方式相比，零偏置電流控制方式所需平均電流減少41．6%。其他三個徑向自由度有相似的結果。

圖16 同頻振幅變化曲線Fig．16 Curves of same frequency amplitude

圖17 同頻電流變化曲線Fig．17 Curves of same frequency current

5 結 論

（1）與有偏置電流方式相比，零偏置電流控制方式將導致控制參數穩定區域減小和發電機轉子振幅增大。

（2）對于本試驗系統而言，當采用零偏置電流控制方式時，發電機轉子的振幅仍然保持在合理的范圍內，系統能夠安全穩定運行。

（3）零偏置電流控制方式能夠明顯減少磁懸浮軸承所需電流，有利于進一步降低磁懸浮風力發電機的啟動風速，提高系統效率，保證系統具有較好的綜合性能。

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Control strategy with zero-bias current for magnetic levitation wind power generator

WANG Xiao1，2，XIE Zhen-yu1，2，ZHOU Hong-kai1，2
（1．College of Mechanical and Elec trical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2．Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-Manufacturing Technology，Nanjing 210016，China）

The setup of a vertical axis wind power generator rotor system with 5-DOF supported with active magnetic bearings was built．A zero-bias current analog controller was also developed．The influence of the controller on the dynamic performance of the system was investigated with the test method．The results showed that the zero-bias current analog controller can be used to reduce power loss of active magnetic bearings obviously，and also to guarantee safe and stable operation of the system at the same time．

wind power generator；power loss；zero-bias current；dynamic performance

TH212

A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．23．012

國家自然科學基金（51275238）；江蘇省高校優勢學科建設工程資助

2013－10－09 修改稿收到日期：2013－11－28

王曉男，碩士生，1988年4月生

謝振宇男，副教授，1968年生

郵箱：xiezy＠nuaa．edu．cn