融合有限元和系统模拟方法的发电机电路及控制系统仿真

摘要

为了有效解决发电机和控制系统之间的交互作用及其耦合建模问题,搭建用于建模和分析的混合仿真环境,论文提出了两种间接耦合电路和控制系统仿真的发电机磁场计算方法——电流输出方法和电路参数方法,并利用Matlab软件的系统仿真器SIMULINK实现了所提方法的功能,有效解决了与发电机有关的磁场方程和电路方程的复杂求解问题,同时可实现电路和控制系统的任意模式的耦合。
　　 在电流输出方法中,把电源电压作为输入,利用有限元方法(FEM)划分磁场网格单元解决了相电流的耦合问题。在电路参数方法中,通过电动势、动态电感和电阻来描述发电机的特征,每个特征均通过FEM有限元方法在各自的时间步长内解决。在利用有限元分析法对电路和控制系统进行仿真时,上述两种方法都允许使用不同的时间步长。
　　 论文分别利用绕线转子感应式电机、鼠笼式感应电机、无源电路元件、频率转换器和闭环控制系统作为实例,在已建立的混合仿真环境中验证和评估所提方法的有效性。在发电机和无源电路的仿真中,两种方法均提供比较准确的结果,并且和直接耦合方法具有相同的可靠性。在可控的频率转换器的仿真中,电流输出方法的性能优良,但是电路参数方法不适用于此类模拟仿真。
　　 仿真结果表明,模拟发电机、电路和控制系统的最佳的仿真环境应该是磁场方程和电路方程在有限元电路模拟器中直接耦合,同时在系统仿真器中控制系统与FEM电路模拟器间接耦合建模。

目录

文摘

英文文摘

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Contents

Symbols and definitions

1 简介

1.1 耦合场电路问题概述

1.1.1 数值方法

1.1.2 使用场和电路方程对电机建模

1.1.3 与外部电路耦合

1.1.4 与电力电子设备耦合

1.1.5 与闭环控制系统耦合

1.1.6 耦合模拟软件

1.2 研究目标

1.3 贡献

1.4 论文安排

2 数值方法

2.1 电机有限元模型

2.1.1 磁场线圈方程

2.1.2 瞬时步进仿真

2.2 场和电路方程直接耦合

2.3 电流输出方法耦合

2.3.1 有限元模型功能块

2.3.2 SIMULINK实现

2.4 电路参数方法耦合

2.4.1 电动势和动态电感

2.4.2 电路参数抽取

2.4.3 SIMULINK实现

2.5 结论

3 案例研究:双馈感应电机

3.1 系统描述

3.1.1 发电机有限元模型

3.1.2 电源

3.2 仿真模型

3.2.1 电路参数方法

3.2.2 直接耦合

3.3 仿真结果

3.3.1 稳态

3.3.2 定子电压骤降

3.3.3 仿真参数效果

3.4 讨论

4 案例研究:带有补偿电容的鼠笼式感应电动机

4.1 系统描述

4.1.1 鼠笼式感应电动机的有限元模型

4.1.2 电路模型

4.2 仿真模型

4.2.1 电流输出方法

4.2.2 电路参数方法

4.2.3 直接耦合

4.3 仿真结果

4.3.1 理想电源

4.3.2 栅极和补偿电容

4.4 实验验证

4.4.1 测试安排

4.4.2 测量结果

4.5 讨论

5 受控变频器的案例研究

5.1 感应电机驱动的DTC详细算法

5.1.1 系统模型描述

5.1.2 结果

5.1.3 结论

5.2 变速风力涡轮机中的双馈感应发电机

5.2.1 背景

5.2 系统模型描述

5.2.1 结果

5.2.2 结论

5.3 讨论

6 讨论

6.1 结果总结

6.2 工作的重要性

6.3 电机、电路和控制系统耦合仿真的优化环境

7 结论

References

Appendix

Acknowledgements

List of Publications

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博士研究生学位论文答辩委员会决议书