基于定子双绕组异步电机的交直流混合发电系统研究

摘要

随着飞机供电容量的不断增加和对供电品质要求的不断提高，变频交流发电系统（VFAC）和高压直流发电系统（HVDC）成为了航空电源在新形势下的解决方案，也正在成为国内外研究的热点。本文提出了一种交直流混合发电系统，即一台发电机能够同时发出恒压变频交流电和高压直流电。这能够满足飞机电源对两种供电系统的需求。
　　提出的交直流混合发电系统基于定子双绕组异步发电机(DualStator-WindingInductionGenerator,DWIG)。DWIG的定子上有两套绕组，一套为功率绕组，它向对频率不敏感的或者整流性负载提供恒压变频的交流电能；另外一套为控制绕组，通过滤波电感连接在励磁变换器（SEC）上，它为DWIG提供可调节的励磁无功，同时，向直流母线整流输出稳定的直流电能。这两套绕组有相同的极对数，共享同一个旋转磁场。
　　系统采取标量型瞬时转差频率控制策略，该控制策略基于瞬时功率平衡原理，通过瞬时转差频率快速地调节DWIG的电磁转矩，具有动静态性能优秀的特点，同时它不需要复杂的坐标变换、磁链和转矩观测，简单可靠、鲁棒性强。
　　本文还进一步研究了这种新型发电系统的性能改进和功能拓展，提出了该交直流混合发电系统的APF运行模式；初步研究了其ITC控制原理；分析了系统在不平衡负载状态下的运行特性；实现了系统的无转速传感器方案。
　　为了与系统的控制策略相得益彰，使系统更好地运行，本文研究了系统控制侧滤波电感和功率侧励磁电容的设计以及它们对系统稳定性的影响，并给出了保证系统在宽转速，变负载工况下保持稳定运行的约束条件。在此基础上，设计了基于DSP的系统物理实验平台。
　　实验采用一台18kW的双绕组发电机，验证了该发电方案的可行性。系统直流输出电压400V，交流输出线电压380V，频率变化范围：100Hz～300Hz，恒功率输出转速范围：3000rpm～9000rpm。实验结果显示，该交直流混合发电系统能够在1：3的宽转速范围内稳定恒功率运行，且具有优秀的动静态品质。例如，交流输出电压在突加突卸100％额定负载时，恢复时间小于10ms，大大低于美军标(MIL-STD-704F)70ms的规定。
　　本文的研究成果表明，基于定子双绕组异步电机的交直流混合发电系统能够为机载、车载等独立电源场合提供有竞争力的解决方案。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

图清单

表清单

注 释 表

第一章 绪论

1.1 航空电源发展趋势

1.2 电力集成思想

1.3 异步电机发电技术

1.4 航空发电机类型的选择

1.5 几种可能的交直流混合发电系统方案分析

1.6 提出的交直流混合发电系统方案及国内外研究现状

1.7 本文的主要研究内容

第二章 DWIG交直流混合发电系统的工作原理及数学模型

2.1 交直流混合发电DWIG系统结构

2.2 DWIG的动态数学模型

2.4 交直流混合发电系统DWIG仿真模型的建立

2.5 本章小结

第三章 基于瞬时转差频率的交直流混合发电系统控制策略

3.1 传统的三种控制方法

3.2 基于瞬时转差频率的交直流混合发电系统控制策略

3.3 实验及仿真结果

3.4 本章小结

第四章 交直流混合发电系统的性能改进研究

4.1 交直流混合发电系统的APF工作模式

4.2 交直流混合发电系统的ITC初步研究

4.3 交流侧带不平衡负载运行分析

4.4 交直流混合发电系统的无转速传感器化

4.5 本章小结

第五章 交直流混合发电系统硬件及软件设计

5.1 实验机组

5.2 系统总体结构

5.3 滤波电感及励磁电容的设计

5.4 主功率电路设计

5.5 控制电路与数字系统设计

5.6 系统软件设计

5.7 本章小结

第六章 仿真与实验

6.1系统主要参数

6.2建压/关机实验

6.3稳态运行实验

6.4动态运行实验

6.5感性、容性负载运行仿真

6.6 不平衡负载运行实验与仿真

6.7交流输出短路实验

6.8电机温升实验及效率

6.9 系统性能指标及其对比分析

第七章 总结与展望

7.1 本文的主要工作及创新点

7.2 进一步工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参与的开发项目

攻读硕士学位期间所获得的荣誉