變速運(yùn)行的定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)研究.pdf

1、異步電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，作為電動機(jī)被廣泛用于各類調(diào)速、牽引、驅(qū)動等場合。根據(jù)電機(jī)可逆原理，異步電機(jī)當(dāng)然也可發(fā)電運(yùn)行，當(dāng)發(fā)電機(jī)使用。異步電機(jī)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用最廣泛、最重要的兩個領(lǐng)域就是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域和獨(dú)立電源領(lǐng)域。近年來，這兩個領(lǐng)域發(fā)展都很快，也越來越受重視，而且還出現(xiàn)了許多新的需求，這既為異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)帶來了更多的機(jī)遇，同時也對其提出了一些新的挑戰(zhàn)。
　　為適應(yīng)海上風(fēng)力發(fā)電和大型飛機(jī)變頻交流電源的發(fā)展，

2、并滿足其對發(fā)電系統(tǒng)的新需求，本文對變速運(yùn)行的新型定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)（DWIG）系統(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。該發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為鼠籠型，是天然無刷結(jié)構(gòu)，簡單堅(jiān)固，其定子上布置有兩套繞組，一套稱為功率繞組，接有勵磁電容，可直接輸出恒壓變頻交流電能或經(jīng)整流輸出直流電能；另一套稱為控制繞組，經(jīng)濾波電感接有靜止勵磁變換器（SEC），用以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁無功。
　　本文具體研究內(nèi)容和成果主要包括以下幾方面：
　?。?）DWIG數(shù)學(xué)模型

3、　　建立了DWIG在三相靜止A-B-C坐標(biāo)系和三相正交旋轉(zhuǎn)d-q-0坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，能滿足不同電能輸出形式的DWIG發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的研究需要。
　?。?）變速運(yùn)行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)控制策略
　　為進(jìn)一步豐富和完善DWIG發(fā)電系統(tǒng)的電壓控制理論，拓寬其應(yīng)用范圍，提出了一種與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率控制策略，它利用控制繞組側(cè)SEC來快速改變施加在控制繞組上的電壓的頻率和幅值，以對控制繞組磁鏈旋轉(zhuǎn)速度和幅值進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變發(fā)電機(jī)的

4、轉(zhuǎn)差頻率和勵磁無功，實(shí)現(xiàn)在調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功的同時，還能主動對發(fā)電機(jī)的有功變化加以控制，使系統(tǒng)輸入、輸出功率快速平衡，從而達(dá)到改善系統(tǒng)動靜態(tài)性能的目的。該控制策略實(shí)現(xiàn)起來較為簡單，無需復(fù)雜的坐標(biāo)變換和影響動態(tài)性能的電流環(huán)，既能適應(yīng)直流輸出，也能適應(yīng)變頻交流輸出。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略的動靜態(tài)性能要優(yōu)于現(xiàn)有的三種控制策略。
　?。?）變速運(yùn)行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)勵磁電容和濾波電感的優(yōu)化選取
　　通過分析控制繞組無功電流變化規(guī)律

5、，獲得了變速運(yùn)行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)勵磁電容優(yōu)化的一般原則，即保證控制繞組無功電流正向最大值和負(fù)向最小值的絕對值相等，但由于不同應(yīng)用場合中DWIG發(fā)電系統(tǒng)的控制繞組無功電流變化規(guī)律有所不同，相應(yīng)地勵磁電容優(yōu)化的具體原則也有所區(qū)別，并對此進(jìn)行了分析。
　　變速運(yùn)行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)濾波電感的選取除滿足較快的電流響應(yīng)速度和較強(qiáng)的電流脈動抑制能力這兩個基本要求之外，還應(yīng)保證勵磁變換器能提供足夠大的無功電流，其具體優(yōu)化方法是，按電流響應(yīng)的快

6、速性和控制繞組最大無功電流來確定濾波電感的上限值；按抑制電流脈動能力來確定濾波電感的下限值。
　　樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，按所提優(yōu)化方法選取的勵磁電容和濾波電感，不僅能保證系統(tǒng)在一定的變速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，而且還實(shí)現(xiàn)了控制繞組無功容量的最小化，能有效減小SEC容量。
　?。?）寬變速運(yùn)行的DWIG直流發(fā)電系統(tǒng)及其在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用
　　針對擴(kuò)大發(fā)電系統(tǒng)能輸出額定電壓的轉(zhuǎn)速范圍的迫切需求，提出了一種寬變速運(yùn)行的DWIG直流發(fā)電系

7、統(tǒng)。分析了該發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速兩種運(yùn)行模式的工作原理；推導(dǎo)并獲得了控制繞組和功率繞組之間的匝數(shù)比關(guān)系；分析了低轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式下輸出電壓的泵升原理和控制方法；提出了一種基于控制繞組繞組磁鏈定向的寬變速運(yùn)行的控制策略，并有效解決了高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速兩種運(yùn)行模式下控制策略的兼容性和平滑過渡問題。
　　為能有效利用低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)能，對所提出的寬變速運(yùn)行的DWIG直流發(fā)電系統(tǒng)低速輕載運(yùn)行時效率優(yōu)化問題進(jìn)行了研究。在分析DWIG效率優(yōu)

8、化控制基本原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于DWIG損耗模型的效率優(yōu)化控制策略，并給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。
　　樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該發(fā)電系統(tǒng)能在包括低轉(zhuǎn)速區(qū)在內(nèi)的寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出恒定的額定電壓；所提出的效率優(yōu)化控制策略能大幅提高系統(tǒng)低速輕載運(yùn)行時的效率；將該發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中，不僅能實(shí)現(xiàn)寬風(fēng)速范圍內(nèi)發(fā)電，而且還能有效利用低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)能。
　?。?）大型飛機(jī)用DWIG變頻交流發(fā)電系統(tǒng)帶不同負(fù)載的運(yùn)行性能
　　針對大型飛機(jī)變頻

9、交流電源的特點(diǎn)和要求，提出了一種大型飛機(jī)用DWIG變頻交流發(fā)電系統(tǒng)方案，并對其帶不同負(fù)載的運(yùn)行性能進(jìn)行了研究。為提高DWIG變頻交流發(fā)電系統(tǒng)帶感性和容性負(fù)載時的運(yùn)行性能，尤其是動態(tài)性能，提出了一種含負(fù)載無功信息的轉(zhuǎn)差頻率控制策略，并給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。樣機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，采用所提出的控制策略，系統(tǒng)帶感性負(fù)載和容性負(fù)載時具有良好的動靜態(tài)性能，能滿足美軍標(biāo)MIL-STD-704F的要求。
　　針對帶不對稱負(fù)載的DWIG變頻交流發(fā)