三相自激异步发电机单相带载运行研究开题报告

学校代码：11065编 号： 青 岛 大 学 硕士学位论文开题报告论文题目: 三相自激异步发电机单相带载运行研究 姓 名: 周兵 专业名称: 电气工程 研究方向: 电机运行分析 指导教师: 吴新振 日 期: 2017年12月31日1 青岛大学硕士研究生学位论文开题报告专 业电气工程论文起止日期2017年3月-2016年4月课题来源自选项目选题报告会日期2017年12月31日论文题目三相异步发电机单向运行带载能力研究研究方向电机运行分析一、 选题的背景和意义随着环境污染与资源消耗的日益加剧，能源问题已成为全球问题，为减少环境污染节约宝贵资源，利用可再生能源进行发电的要求越来越迫切，作为独立电力系统发电模块的异步发电机的研究工作也越来越受到重视。国家财政设立资金支持相关科技研究和产业发展，支持鼓励可再生能源并网发电。电网企业也积极与可再生能源发电企业签订并网协议，促进了相关产业领域的发展。异步发电机早在上个世纪初期已经进入人们视野，并被相关学者所研究1,2。但由于异步发电机输出电压随负载变化而改变，而同步发电机采用直流电励磁，不仅能向负载提供有功功率，也能提供无功功率以维持恒定电压满足各种负载的需要，发电效率相对较高，因此长期以来人们将发电设备的研究主要放在同步电机，逐渐减少了对异步发电机的研究。近年来，随着人类环保意识的不断增强，风能作为一种可再生清洁能源正获得越来越多的关注。风能在不同时刻是变化的，而同步发电机在变化的转速下无法产生频率恒定的电流，这一特点使得其优势被大大削弱。不仅如此，同步发电机需要直流励磁系统、电刷、滑环等构件其转子由铜线绕制而成，结构复杂。同步电机在运转时电刷与滑环之间的摩擦不仅仅影响电机的效率和电气指标，还会产生火花，维护难度较大。相比较而言，鼠笼转子异步发电机产生的电流频率随转速变化很小，对频率要求不高的场合是满足运行条件的，再考虑到其结构简单，维修方便，成本低廉等优势，异步发电机已成为风力发电的主要设备3,4。但异步电机的主要缺点是需要向电网吸收滞后的无功功率5,6。由于我国幅员辽阔，很多能源丰富的地区往往比较偏僻，将这些地区输电线路不能达到，而要将用电设备并入电网系统将花费昂贵费用并面临严重的施工困难，因此采用异步发电机对这些地区供电形成独立的电力系统是比较经济可行的方案。但这种情况下的电力系统往往规模较小，采用三相四线制既不实用也无必要，可采用单相发电机产生单相交流电对负载供电。普通的单相异步电机容量较小，一般不超过3kW，如果采用这样的单相异步电机供电恐怕难以满足当地负载的实际需求。而三相异步电机结构简单，无刷无滑动接触，不需专用的直流电源且能承受故障电流，其研究与制造相对更为成熟，由于应用范围广，其可选择的标准型号与容量也较为丰富，因此采用三相异步电机带单相负载就变得具有较为实用的意义7,8。二、 国内外研究现状自1831年法拉第发现电磁异步定律之后，不同形式的发电机与电动机相继应运而生。1901年法国人M.Mauyice Loblance首次提出异步发电机原理，1935年E.D.Bassett与J.E.Barkle等人分别对小型异步发电机原理、特性及其应用进行了研究分析9，直到20世纪50年代前后异步发电机在水电、热电站的辅机发电、自备电站等场合都有应用，其后却陷于中断。困扰异步电机发电运行的原因一方面是同步发电机具有可维持负载电压稳定，发电效率较高等诸多优点，使得异步电机在发电领域似乎无用武之地；另一方面是异步发电机在自身无功补偿方面存在较严重缺陷，输出电压的不稳定与呆在能力差等问题严重制约了其发展。如果保留异步发电机的优点，再通过优化设计稳定其输出电压并提高其带载能力，则异步发电机的巨大潜力将会发挥出来。特别是农村、山区、哨所、野战部队、海岛等电网不能到达的地区，异步发电机的运行可靠，维护方便等优点显现出来，并将对这些场所供电问题的解决将起着重要作用。近年来，随着煤炭、石油等化石能源的快速消耗，加上现代化社会日益增长的资源需求，能源矛盾日益突出，而能源消耗过程中的化学反应亦对自然环境产生很大破坏。在此背景下，可再生能源（水能、风能等）被利用进行发电的呼声越来越强，作为独立电力系统发电模块的的异步发电机的研究工作又逐渐获得重视10。目前，异步电机研究方面的论文屡屡发表在国内外相关期刊上，以异步发电机对称运行分析为主的专著也已出版发行，三相异步发电机用作自激单相发电模式的研究论文也已有所发表11,12。异步发电机用作单相运行目前有两种方案。一种是采用单相异步电机发电，其定子上包括两套绕组，主绕组接运行电容，副绕组接激励电容，其发展历史是首先研究高效单相异步发电机，然后分析其稳态性能，提高其运行效率。根据这些研究成果，还设计和生产了多种形式的电压调节器13，随后提出在负载回路中串联补偿电容的方法使输出电压稳定。国内外学者对单相自激异步发电机的负载能力进行了研究14-18。另一种是自激三相异步发电机通过一相电容向单相负载供电，也就是自激式三相异步发电机单相负载运行19。上面两种电机的主要特点是不对称运行，其分析和计算包括稳态性能与暂态性能两方面。发电机转速、极端并联电容值和负载的大小与机端电压和频率的关系属于稳态运行分析的范畴，空载电压建立后的稳态运行点的确立可作为其特例。分析自激异步发电机稳态性能时都是首先建立电机的稳态数学模型，根据对称分量法或双旋转磁场理论推导等值电路，或根据能量守恒原理来进行迭代计算，以此为基础，应用Newton-Raphson法或寻优的方法求解电机的稳态性能。对于暂态的分析采用的方法一般是通过坐标变换列写状态方程来求解，并可根据状态方程的特征值判断异步发电机的稳态运行性能20-23。由于自激三相异步电机用作单相运行 的研究正处于从理论到实际的探索阶段，目前其研究主要集中在一下几个方面：自激异步发电机外特性的分析24,25，负载变化时发电机恒压的研究26,27，稳压电容值的选择以及空载稳定运行工作点的确定28。三、 主要研究内容和研究方法 3.1三相异步发电机单相带载运行稳态分析对于传统的单相电机而言，在仅有单绕组通电时气隙中会产生脉阵磁势，分解后得到正负序相等的旋转磁场。而要使异步电机做发电状态运行，就必须使其产生旋转磁场来切割定子绕组，因而分解后得到的正负序旋转磁势不相等，相应的气隙磁势为椭圆形旋转磁势。单相运行时产生的椭圆形旋转磁势只有在特殊对称情况下才能分解得到负序磁势分量为零，此时气隙中产生的是圆形旋转磁势。椭圆形旋转磁场的产生需要流经各绕组的电流存在一定的相位差，这可以通过借助绕组空间位置的分布与电容的相互配合实现。电机在椭圆形旋转磁场下工作的研究主要有两种理论：1、双旋转磁场理论：将椭圆磁场分解为正序和负序两个圆形旋转磁场，独立观察电机在各个圆形旋转磁场下的内部作用关系，然后将正负序分量相加。以双旋转磁场理论为指导，有不同的分析方法，如对称分量法、合成电流分析法等。2、正交磁场理论：将椭圆形旋转磁场分解为空间正交位置上的两个脉振磁场，分析电机在两个脉振磁场作用下的异步关系与矩阵运算。在此采用对称分量法对三相自激异步发电机的稳态运行进行分析。对称分量法是在本世纪初所提出的一种分析方法，其目的主要是为了解决电机的不对称运行。它的原理是把加在电机上的三相电量分解成一组对称的三相正序电压，一组对称的三相逆序电压，如果有中线存在，则还有一组三相零序电压。同样地，将三相电流也是如此分解，其分解方式如图4.1所示。 (a) 正序分量 (b)负序分量 (c)零序分量(d)三序分量合成图1 对称分量的合成对称分量法的实质是一种线性变换的数学方法，它把三相不对称电量分成三套对称系统。以电流为例，正序电流系统用，来表示；负序电流系统用，来表示；零序电流系统用，来表示。记符号算子，则a乘以一个向量会使这个向量逆时针旋转120；，a2乘以一个向量会使这个向量顺时针旋转120。三相电流可以用以下公式表示： 4-(1)采用对称分量法之后，每组三相对称的序分量都可以采用一相等值电路来分析，电路中的各参数可以比对三相对称运行时的电机参数得到，因而电机的正负序阻抗可以比较容易求得。通过列写电路方程，电机单相运行时的内阻抗又可以用正负序阻抗表示出来，因此整个电机带载系统的回路阻抗方程就可以得到。根据基尔霍夫电压定律，稳态运行时电机的回路阻抗为零，以此作为条件可以求得相应的电量参数。3.1.1 星接三相异步发电机单相运行图1 星形接法三相异步发电机单相运行联接图星接三相自激异步发电机单相负载稳态运行时，为使气隙旋转磁场接近圆形旋状磁场，需在B相绕组和C相绕组中串联相同的平衡电容Cbl。为保证单相运行能够建立负载电压，两端还需并联自激建压电容Cex。对于平衡建压电容与建压电容的稳压组合关系有多种，可以根据正负序之间不平衡度最小来确定。采用对称分量法对电机单相运行进行分析，可得电机正序和等值电路为：图2 (a)正序等值电路 (b)负序等值电路利用B相和C相绕组支路电压相等的条件可以推导出从1,2端口看进去电机的内阻抗Zin，将负载ZL与建压电容Cex的并联阻抗记为Zout，由闭合回路KVL定理可得 4-(2)由于稳态运行时电流不为零，故有 4-(3)给定平衡电容Cbl后，系统中含有频率标幺值f1，激磁电抗Xm与建压电容Cex三个未知量。Z=0包含阻抗实部虚部分别为零两个方程，再加上系统稳定运行时电压Uo作为已知条件，可以将系统中的三个未知量求出。通过考虑饱和时正序气隙异步电势有效值E1与正序激磁电抗Xm间的关系可以求得E1，并进而求得系统中其余各量。3.1.2接三相异步发电机单相运行图3.1 接法三相异步发电机单电容空载连接图对于接三相带单相负载，依然采用与分析星接异步发电机单相运行时相同的分析方法，对三相不平衡电量采用对称分量法，根据三相对称运行时一相等值电路的电机参数推导出电机的正序和负序导纳（或阻抗），进而用正负序导纳将电机的内阻抗表示出来，与外电路相加构成回路阻抗方程。回路阻抗方程的求解可以采用优化方法，将回路阻抗的模值作为优化的目标函数，将所要求的系统负载电压作为优化的约束条件，可以将系统中定子电流频率f1，正序激磁电抗Xm及建压电容Cex求出。3.2三相异步发电机单相带电阻负载运行暂态分析传统对称分量法只能用于三相电机不对称运行时的稳态分析，而无法对其暂态特性进行分析计算。利用暂态模型对电机运行特性分析不仅能够得到电机各电量的暂态数据，同时也能利用其状态方程的特征值确定建压电容的边界值，对小扰动下的暂态稳定进行分析。图3.1 Steinmetz接法三相异步发电机单电容负载连接图采用abc三相坐标系可列写定转子各相电压方程： 4-(4)各相磁链方程： 4-(5)其中定子各绕组电感矩阵为 4-(6)转子各绕组电感矩阵为 4-(7)定转子之间各绕组电感矩阵为 4-(8)这样电感矩阵中各元素可以利用定子漏感Lls，转子漏感Lrs及定转子之间的互感M表示出来。由于转子绕组向定子折合，因此定子各绕组之间互感与转子各绕组之间互感均为M。现在将总的电感矩阵记为L，总的磁链相量记为，则有 4-(9)再考虑到转子三相电压均为零，定子电压满足 4-(10) 4-(11) 4-(11)将其带入电压方程并整理可得 4-(12)通过求解此微分方程可以求得各电量随时间的变化，并能通过对特征矩阵A的特征根分析求得相应临界空载建压电容值。3.3 并励电容对三相异步发电机单相运行时稳态电压的影响三相异步发电机单相运行时带载能力较差，而投切负载过程中输出电压的波动也对其带载运行极为不利，针对此缺点，有必要对其采用并联补偿电容的措施以维持输出电压的稳定。并联补偿电容对发电机外特性的改善还是基于稳态运行的分析方法，采用对称分量法对其进行分析计算，并根据负载变化时电压调整率维持在一定的合理范围内来确定最佳并联补偿电容值的大小。电容补偿包括在负载两端并联电容以及短并励，对于三角形接线方式下还包括在非并联负载相并联补偿电容。3.4 结果验证实验室中设备比较完善，利用6RA7025型全数字直流调速装置可使直流电动机驱动异步发电机工作在任意恒定的转速下，DF1024型便携式数字录波仪可用来实时记录异步发电机端电压、定子电流及整流桥直流侧电压波形，以便数据分析。电容器比较完备，完全可以对异步发电机自激电容和并联电容的稳压性能进行分析；而标准的负载箱也可以满足整流桥带不同负载的性能分析。利用电磁场计算软件Ansoft亦可对异步发电机单相运行进行仿真分析，通过场路耦合的方法计算出电机的暂态数据。3.5 拟解决的关键问题1三相异步发电机暂态模型的推导。尽管从理论上讲任何坐标系下电机的数学模型都可以进行分析计算，而且Matlab等强大的数值计算软件也为准确求解提供了保障，但坐标系的选择直接影响了模型的复杂程度，对数值计算的准确度及运行速度都有比较大的影响。可以通过比较不同坐标系下电机方程来确定一个最易于求解的暂态模型。2. 在abc三相坐标系下推导出的单相运行暂态模型是一个变系数微分方程，其方程在求解过程中容易变为刚性方程，这使得常用的龙格库塔法难以求解，要找到合适算法计算暂态模型。四、 课题研究计划 本课题的研究工作主要分为三个阶段：准备阶段：2017年7月至12月。继续学习三相异步发电机单相运行时稳态及暂态分析方法，查阅相关文献，完成基本资料的搜集整理，对单相稳态运行做初步探讨。研究的主要阶段：2017年12月至2016年2月。完善三相异步发电机单相运行时暂态模型的推导，并通过Matlab进行分析计算。利用实验室三相异步电机进行相关验证试验，并利用Ansoft进行建模仿真，把Matlab计算的结果和实验及Ansoft软件的仿真结果进行比较分析。分析不同并联电容对单相运行外特性的影响，并求解时电容的临界值。结题阶段：2016年3月至6月。整理好有关的材料，撰写硕士论文并进行修改完善，准备毕业答辩。参考文献：1 马伟明. 舰船动力发展的方向综合电力系统. 海军工程大学学报, 14(6), pp1-5, 2002.2 Clayton D H, Sudhoff S D, Grater G F. Electric ship drive and power system. The 24th International Power Modulator Symposium, Virginia, pp85-88, 2002.06.26-29.3 马伟明. 电力集成技术. 电工技术学报, 20(1), pp16-20, 2005.4 Ericsen T, Hingorani N, Khersonsky Y. Power electronics and future marine electrical systems. IEEE Trans. on Industry Applications, 42(1), pp155-163, 2006.5 Ma Weiming, Wang Dong, Xiao Fei, Zhang Botao, Liu Dezhi, Hu An, Fu Lijun. A high speed induction generator based on power integration techniques. Proc. of the 40th Annul Conference on Industry Applications, Hong Kong, (4), pp2272-2279, 2005.10.02-06.6 Kirtley J L, Englebretson S. Design and control of a high speed induction generatorEB/OL. MIT, USA, 2005.7 刘陵顺, 胡育文, 黄文新. 变速运行的定子双绕组感应发电机电磁优化设计. 中国电机工程学报, 26(3), pp125-130, 2006.8 李 勇, 胡育文, 刘陵顺, 黄文新, 陈光辉, 邱景峰. 带整流桥负载的定子双绕组感应发电机系统宽转速运行时的稳态特性. 中国电机工程学报, 28(17), pp125-131, 2008.9 Bansal R C. Three-Phase self-excited induction generators: an overview. IEEE Trans on Energy Conversion, 20(2), pp292-299, 2005.10 Simoes M G, Farret F A. Alternative energy systems-design and analysis with induction generators. Boca Raton: CRC Press, 2008.11 Madawala U K, Geyer T, Bradshaw J B, Vilathgamuwa D M. Modeling and analysis of a novel variable-speed cage induction generator. IEEE Trans on Industrial Electronics, 59(2), pp1020-1028, 2012.12 Ojo O, Davidson I E. PWM-VSI inverter-assisted stand-alone dual stator winding induction generator. IEEE Trans. on Industry Applications, 36(6), pp1073-1082, 2000.13 Myers M, Bodson M, Khan F. Design of drives for inverter-assisted induction generators. IEEE Trans. on Industry Applications, 48(6), pp961-973, 2012.14 Karthigaivel R, Kumaresan N, Subbiah M. Analysis and control of self-excited induction generator-converter systems for battery charging applications. IET Electric Power Applications, 5(2), pp247-257, 2011.15 Chen Hao, Dionysios C A. Squirrel-cage induction generator with Vienna rectifier for wind energy conversion system. IEEE Trans. on Energy Conversion, 26(3), pp961-973, 2011.16 王 东, 马伟明, 李玉梅, 肖 飞. 带有静止励磁调节器的双绕组感应发电机的研究. 中国电机工程学报, 27(7), pp145-150, 2003.17 Wang Dong, Ma Weiming, Xiao Fei, Zhang Botao, Liu Dezhi, Hu An. A novel stand-alone dual stator-winding induction generator with static excitation regulation. IEEE Trans. on Energy Conversion, 20(4), pp826-835, 200518 Wang Dong, Ma Weiming, Guo Yunjun. Optimal design of a self-excited capacitor in a dual-stator winding induction generator. IET Electric Power Applications, 3(4), pp334-342, 200919 吴新振, 王祥珩. 十二相异步发电机功率绕组与整流系统的电路分析. 中国电机工程学报, 27(15), pp75-82, 2007.20 王祥珩, 吴新振. 双绕组多相高速整流异步发电机系统的分析. 中国科学 E缉, 38(11), pp1850-1858, 2008.21 陈 林. 十五相感应电机定子绕组多相开路的稳态特性. 电工技术学报, 19(11), pp14-19, 2004.22 朱 鹏, 张晓锋, 乔鸣忠, 蔡 巍, 梁京辉. 五相集中整距绕组感应电机缺相容错控制. 中国电机工程学报, 31(33), pp131-137, 2011.23 王晓琳, 任新宇, 邓智泉, 廖启新. 短路容错控制在多相无轴承永磁同步电机中的可行性分析. 电工技术学报, 27(3),