变速运行的定子双绕组异步发电机系统研究

摘要

异步电机因具有结构简单、运行可靠、成本低、维护方便等优点，作为电动机被广泛用于各类调速、牵引、驱动等场合。根据电机可逆原理，异步电机当然也可发电运行，当发电机使用。异步电机发电技术应用最广泛、最重要的两个领域就是风力发电领域和独立电源领域。近年来，这两个领域发展都很快，也越来越受重视，而且还出现了许多新的需求，这既为异步发电机系统带来了更多的机遇，同时也对其提出了一些新的挑战。
　　为适应海上风力发电和大型飞机变频交流电源的发展，并满足其对发电系统的新需求，本文对变速运行的新型定子双绕组异步发电机（DWIG）系统进行了深入细致的研究。该发电机的转子为鼠笼型，是天然无刷结构，简单坚固，其定子上布置有两套绕组，一套称为功率绕组，接有励磁电容，可直接输出恒压变频交流电能或经整流输出直流电能；另一套称为控制绕组，经滤波电感接有静止励磁变换器（SEC），用以调节发电机励磁无功。
　　本文具体研究内容和成果主要包括以下几方面：
　　（1）DWIG数学模型
　　建立了DWIG在三相静止A-B-C坐标系和三相正交旋转d-q-0坐标系下的数学模型，能满足不同电能输出形式的DWIG发电机系统的研究需要。
　　（2）变速运行的DWIG发电系统控制策略
　　为进一步丰富和完善DWIG发电系统的电压控制理论，拓宽其应用范围，提出了一种与之相适应的转差频率控制策略，它利用控制绕组侧SEC来快速改变施加在控制绕组上的电压的频率和幅值，以对控制绕组磁链旋转速度和幅值进行快速调节，进而改变发电机的转差频率和励磁无功，实现在调节发电机无功的同时，还能主动对发电机的有功变化加以控制，使系统输入、输出功率快速平衡，从而达到改善系统动静态性能的目的。该控制策略实现起来较为简单，无需复杂的坐标变换和影响动态性能的电流环，既能适应直流输出，也能适应变频交流输出。样机实验结果表明，该控制策略的动静态性能要优于现有的三种控制策略。
　　（3）变速运行的DWIG发电系统励磁电容和滤波电感的优化选取
　　通过分析控制绕组无功电流变化规律，获得了变速运行的DWIG发电系统励磁电容优化的一般原则，即保证控制绕组无功电流正向最大值和负向最小值的绝对值相等，但由于不同应用场合中DWIG发电系统的控制绕组无功电流变化规律有所不同，相应地励磁电容优化的具体原则也有所区别，并对此进行了分析。
　　变速运行的DWIG发电系统滤波电感的选取除满足较快的电流响应速度和较强的电流脉动抑制能力这两个基本要求之外，还应保证励磁变换器能提供足够大的无功电流，其具体优化方法是，按电流响应的快速性和控制绕组最大无功电流来确定滤波电感的上限值；按抑制电流脉动能力来确定滤波电感的下限值。
　　样机实验结果表明，按所提优化方法选取的励磁电容和滤波电感，不仅能保证系统在一定的变速范围内稳定运行，而且还实现了控制绕组无功容量的最小化，能有效减小SEC容量。
　　（4）宽变速运行的DWIG直流发电系统及其在风力发电中的应用
　　针对扩大发电系统能输出额定电压的转速范围的迫切需求，提出了一种宽变速运行的DWIG直流发电系统。分析了该发电系统的拓扑结构及高转速、低转速两种运行模式的工作原理；推导并获得了控制绕组和功率绕组之间的匝数比关系；分析了低转速运行模式下输出电压的泵升原理和控制方法；提出了一种基于控制绕组绕组磁链定向的宽变速运行的控制策略，并有效解决了高转速、低转速两种运行模式下控制策略的兼容性和平滑过渡问题。
　　为能有效利用低风速区的风能，对所提出的宽变速运行的DWIG直流发电系统低速轻载运行时效率优化问题进行了研究。在分析DWIG效率优化控制基本原理的基础上，提出了一种基于DWIG损耗模型的效率优化控制策略，并给出了具体实现方法。
　　样机实验结果表明，该发电系统能在包括低转速区在内的宽转速范围内输出恒定的额定电压；所提出的效率优化控制策略能大幅提高系统低速轻载运行时的效率；将该发电系统应用于风力发电中，不仅能实现宽风速范围内发电，而且还能有效利用低风速区的风能。
　　（5）大型飞机用DWIG变频交流发电系统带不同负载的运行性能
　　针对大型飞机变频交流电源的特点和要求，提出了一种大型飞机用DWIG变频交流发电系统方案，并对其带不同负载的运行性能进行了研究。为提高DWIG变频交流发电系统带感性和容性负载时的运行性能，尤其是动态性能，提出了一种含负载无功信息的转差频率控制策略，并给出了具体实现方法。样机仿真和实验结果均表明，采用所提出的控制策略，系统带感性负载和容性负载时具有良好的动静态性能，能满足美军标MIL-STD-704F的要求。
　　针对带不对称负载的DWIG变频交流发电系统的特殊性，以对称分量法为基础，提出了一种基于负载三端口网络模型的不对称分析方法，并给出了具体实现步骤，实现了对该发电系统带不对称负载运行性能的定量分析。在典型阻—容型复合不对称负载情况下，样机实验结果表明，该发电系统对不对称负载有很好的适应能力，能满足美军标MIL-STD-704F的要求。另外，还在该阻—容型复合不对称负载情况下，利用所提出的不对称分析方法，分析了关键电机参数对输出电压不平衡的影响。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1本课题的研究背景

1.2几种常见的异步发电机系统及其适应性分析

1.3新型定子双绕组异步发电机系统及其研究现状

1.4本课题的研究意义

1.5本文研究思路及内容安排

第二章 定子双绕组异步发电机的数学模型

2.1定子双绕组异步发电机系统概述

2.2 正方向选择及基本假设

2.3 三相静止A-B-C坐标系下的DWIG数学模型

2.4 三相正交旋转d-q-0坐标系下的DWIG数学模型

2.5 本章小结

第三章 变速运行的定子双绕组异步发电机系统的控制策略

3.1 DWIG直流发电系统现有的三种控制策略

3.2适用于DWIG发电系统的转差频率控制策略

3.3实验验证

3.4转差频率控制策略与现有的三种控制策略的比较与分析

3.5本章小结

第四章 变速运行的DWIG发电系统励磁电容和滤波电感的优化选取

4.1 DWIG发电系统控制绕组无功电流的计算

4.2 变速运行的DWIG发电系统励磁电容的优化选取

4.3 变速运行的DWIG发电系统滤波电感的优化选取

4.4 实验验证

4.5 本章小结

第五章 宽变速运行的DWIG直流发电系统及其在风力发电中的应用

5.1 宽变速运行的DWIG直流发电系统的拓扑结构和工作原理

5.2 宽变速运行的DWIG直流发电系统面临的新问题

5.3 DWIG两套定子绕组的匝数分配

5.4宽变速运行的DWIG直流发电系统的控制策略

5.5宽变速运行的 DWIG直流发电系统低转速运行时的效率优化

5.6实验验证

5.7本发电系统应用于海上高压直流风力发电的构想与思路

5.8 本章小结

第六章 大型飞机用DWIG变频交流发电系统带不同负载的运行性能

6.1现有基于三级式无刷同步发电机的大型飞机变频交流发电系统方案

6.2基于DWIG的大型飞机变频交流发电系统方案

6.3 本发电系统带感性负载和容性负载的运行性能研究

6.4 本发电系统带不对称负载的运行性能研究

6.5 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 本文主要工作及创新点

7.2 进一步工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及研究成果