變速運行的定子雙繞組異步發(fā)電機系統(tǒng)研究.pdf

1、異步電機因具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、成本低、維護方便等優(yōu)點，作為電動機被廣泛用于各類調(diào)速、牽引、驅(qū)動等場合。根據(jù)電機可逆原理，異步電機當然也可發(fā)電運行，當發(fā)電機使用。異步電機發(fā)電技術(shù)應用最廣泛、最重要的兩個領(lǐng)域就是風力發(fā)電領(lǐng)域和獨立電源領(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)電機系統(tǒng)帶來了更多的機遇，同時也對其提出了一些新的挑戰(zhàn)。
　　為適應海上風力發(fā)電和大型飛機變頻交流電源的發(fā)展，

2、并滿足其對發(fā)電系統(tǒng)的新需求，本文對變速運行的新型定子雙繞組異步發(fā)電機（DWIG）系統(tǒng)進行了深入細致的研究。該發(fā)電機的轉(zhuǎn)子為鼠籠型，是天然無刷結(jié)構(gòu)，簡單堅固，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)學模型

3、　　建立了DWIG在三相靜止A-B-C坐標系和三相正交旋轉(zhuǎn)d-q-0坐標系下的數(shù)學模型，能滿足不同電能輸出形式的DWIG發(fā)電機系統(tǒng)的研究需要。
　　（2）變速運行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)控制策略
　　為進一步豐富和完善DWIG發(fā)電系統(tǒng)的電壓控制理論，拓寬其應用范圍，提出了一種與之相適應的轉(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)速度和幅值進行快速調(diào)節(jié)，進而改變發(fā)電機的

4、轉(zhuǎn)差頻率和勵磁無功，實現(xiàn)在調(diào)節(jié)發(fā)電機無功的同時，還能主動對發(fā)電機的有功變化加以控制，使系統(tǒng)輸入、輸出功率快速平衡，從而達到改善系統(tǒng)動靜態(tài)性能的目的。該控制策略實現(xiàn)起來較為簡單，無需復雜的坐標變換和影響動態(tài)性能的電流環(huán)，既能適應直流輸出，也能適應變頻交流輸出。樣機實驗結(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向最小值的絕對值相等，但由于不同應用場合中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，相應地勵磁電容優(yōu)化的具體原則也有所區(qū)別，并對此進行了分析。
　　變速運行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)濾波電感的選取除滿足較快的電流響應速度和較強的電流脈動抑制能力這兩個基本要求之外，還應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。
　　樣機實驗結(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)定運行，而且還實現(xiàn)了控制繞組無功容量的最小化，能有效減小SEC容量。
　　（4）寬變速運行的DWIG直流發(fā)電系統(tǒng)及其在風力發(fā)電中的應用
　　針對擴大發(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行的DWIG直流發(fā)電系

7、統(tǒng)。分析了該發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)及高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速兩種運行模式的工作原理；推導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行的控制策略，并有效解決了高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速兩種運行模式下控制策略的兼容性和平滑過渡問題。
　　為能有效利用低風速區(qū)的風能，對所提出的寬變速運行的DWIG直流發(fā)電系統(tǒng)低速輕載運行時效率優(yōu)化問題進行了研究。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，并給出了具體實現(xiàn)方法。
　　樣機實驗結(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)低速輕載運行時的效率；將該發(fā)電系統(tǒng)應用于風力發(fā)電中，不僅能實現(xiàn)寬風速范圍內(nèi)發(fā)電，而且還能有效利用低風速區(qū)的風能。
　?。?）大型飛機用DWIG變頻交流發(fā)電系統(tǒng)帶不同負載的運行性能
　　針對大型飛機變頻

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