（电力系统及其自动化专业论文）采用双馈电机的潮流电站供电系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew o r l d se c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，t h ee n e r g yd e m a n do ft h e w o r l di si n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l y , l e a d i n gt ot h et r a d i t i o n a lf o s s i lf u e l sa r ed e p l e t e d ， e l e c t r i c i t ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r ei n c r e a s i n g d e v e l o p i n gt h e c l e a nr e n e w a b l et i d a le n e r g yv i g o r o u s l yh a se x t r a o r d i n a r ys i g n i f i c a n c ef o re a s i n g e n e r g ys h o r t a g e s c o m p a r e d 淅t l lt h ec o n v e n t i o n a lt i d a lg e n e r a t i o ns y s t e m ，t h i s v s c fs y s t e mb a s e do nt h ed o u b l y - f e dm o t o rh a sm a n ya d v a n t a g e s ：t h ei n v e r t e ro f t h es y s t e mi ss m a l l e r , l i g h t e r , a n dt h ec o s ti sl o w e r b e c a u s eo fi t se f f i c i e n c ya n d p r a c t i c a l i t y , a ni n c r e a s i n gn u m b e ro f d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sa r eb e g i n n i n g t op a ya t t e n t i o nt ot h i ss y s t e m f i r s t l y , d i f f e r e n c e a n dr e l a t i o nb e t w e e nt h e g e n e r a la s y n c h r o n o u sa n d s y n c h r o n o u sm o t o ra n dd o u b l y - f e dm a c h i n ew i t hb r u s h e sa r ep o i n t e do u ti nt h i s t h e s i s o nt h i sb a s i s ，t h ee q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e lo fm o t o ri se s t a b l i s h e d ，i s s u e s a b o u to p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，p o w e rf l o wa n ds t a t i co p e r a t i o np e r f o r m a n c ea r e q u a l i t a t i v ea n a l y z e d i tc o n c l u d e st h a tt h ei n t e r r e l a t i o n so fc o n t r o lp a r a m e t e r s u n d e rp o w e rc o n t r o lm o d eo fd o u b l y f e dm a c h i n ea r ec o m p l i c a t e d ，i ti sh a r dt o a c h i e v ec o n t r o lo b j e c t i v e sa n dt a s k su s i n gs c a l a rc o n t r o ls t r a t e g y t h e n , t h ev s c fo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ed o u b l y f e dm a c h i n ei se x p a t i a t e d i nt h et h e s i s b a s e do nt h ec o m p l e xv e c t o rm o d e l ，m a t h e m a t i c a lm o d e li nt h e s y n c h r o n o u sr o t a r yc o o r d i n a t ei se s t a b l i s h e d t h ek e yt e c h n i q u e sa n dr e a l i z a t i o n m e t h o d so fc o n t r o lm o d e ，o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i ca n ds y s t e mp o w e rf l o wa l e m a i n l ys t u d i e d s o m er e s e a r c hi sd o n ei nt h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e c o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g yf o ra c t i v ea n dr e a c t i v e p o w e ro ft h es t a t o rp o r tc a nb ea c h i e v e db ya d o p t i n gs t a t o rm a g n e t i cf i e l do r i e n t e d c o n t r o ls t r a t e g y i nt h ee n d ，t h ee l e c t r i c a le x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e df o rt h em o t o r i nt h et h e s i s t i sf 2 4 0 7 d s pi su s e da st h em a i nc o n t r o lc h i pt od e s i g nc o n t r o l c i r c u i t ，m a i nc i r c u i ta n dt h ed r i v ec i r c u i t s ，s o m es c h e m a t i c so ft h ek e yc i r c u i t sa r e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i il i l i i 宣i ；暑宣皇宣i i 皇哥皇薯暑置宣 p r e s e n t e d s o f t w a r eo ft h ed u a l l o o ps v p w m c o n t r o ls y s t e mf o rt h ed o u b l y f e d m a c h i n eh a sa l s ob e e nd e s i g n e d ，s o m ef l o w c h a r t so ft h em a i np r o g r a m ，i n t e r r u p t p r o g r a ma n df u n c t i o n ss u b p r o g r a ma r ep r e s e n t e di nt h e s i st o o k e yw o r d s ：d o u b l y f e dm o t o r ；v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ( v s c f ) ；s t a t o r m a g n e t i cf i e l do r i e n t e d ；s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：趔墨 日 期：7 萨彦年；月“日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 2 0 0 7 年夏季，我国有多个省区市的供电负荷达到了几十年来的历史最高 值，受装机不足、枯水、煤炭供应匮乏等因素的影响，部分省级电网出现了 不同程度的“拉闸限电”现象，电力供应危机席卷全国。面对能源紧张的严峻 形势，需要大力拓展能源供给。随着我国社会、经济的发展，煤炭、石油等 常规化石能源日益枯竭，而且燃煤发电会造成严重的大气污染，在这种背景 下，开发洁净的可再生能源不仅有望解决我国能源和电力短缺问题，同时还 可以减少二氧化碳的排放、缓解环境污染。现在，世界上许多国家或地区已 经将开发和利用可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分，而在各种 可再生能源当中，综合考虑资源、经济、技术、环保等因素，潮流发电是缓 解我国电力和能源紧缺问题的有效战略途径。 据国外学者计算，全世界潮流总能量为1 0 5 m w 。我国濒临太平洋，海 疆辽阔，海岸线长达1 8 万多公里，岛屿达6 5 0 0 余个，潮流能源居世界之首。 相关统计资料表明，我国1 3 0 条水道航门潮流能的理论蕴藏量平均功率达 1 3 9 9 8 5 m w 。其中占全国潮流能总量的5 0 左右集中在浙江舟山海域和杭州 湾口这里水道众多，能量密度高，海况较为平稳，是全国沿岸潮流能开 发利用条件最为理想的地方。此外，辽宁、山东、福建和台湾沿岸的理论蕴 藏量平均功率都在1 1 3 0 5 2 2 8 2 5 m w 之间。浙江省舟山海域和杭州湾口，是 全国沿岸潮流能开发利用条件最为理想的地区。然而该地区相当多的岛屿处 于无电状况，严重制约着该地区工农业、渔业的发展和人民生活水平的提高。 潮流发电每度电的成本只相当于火电站的八分之一，而且随着潮流发电技术 的日臻完善，它的成本还会继续降低1 。从我国东南沿海地区经济发展急需 来看，建造潮流电站是解决东南沿海特别是海岛区域无电或缺电状况的有效 途径。 随着中国经济的持续发展、能源荒的临近、各种矿物燃料价格的不断攀 升、常规能源的供应不足以及环境污染日益严重，作为一种重要的清洁可再 生能源，潮流能的开发能必将日益突显它的巨大的优势和魅力。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 潮流发电技术的国内外发展现状 潮流能源于太阳和月球的引力， 能属于一种可开发利用的自然能源。 具有无污染和可再生性。 与波浪、潮汐、太阳和风能一样，潮流 它与煤炭、石油和核能等常规能源相比， 潮流的能量储存形式是流体动能，将其能量转变为使用方便的电能，就 需要在海上建立潮流电站。潮流发电装置可建在海底，也可泊于水中或浮于 海面，既不需像潮汐电站那样建坝，也不影响航运。运行稳定、可靠、高效 的潮流电站，是集船舶与海洋、机械、自动控制与电力等工程领域的先进技 术于一体的高新科技产品。因此，潮流能的开发利用属于海洋高技术领域。 意大利阿基米德公司以及那不勒斯大学从事潮流能的研究已有多年，目 前已研制成功基于其专利透平k o b o l d 的潮流能装置e n e r m a ，并在意大利 西西里附近的墨西拿水道进行了试验，在水流速度1 8 m s 时发电2 0 k w ，总 效率达到2 3 。 我国著名的潮流高能密度区有渤海海峡老铁山水道，杭州湾北侧，舟山 群岛的金塘水道和西候门水道等。我国潮流能发电试验最早是1 9 7 8 年由一位 浙江农民自费进行的。他制作的螺旋桨式水轮机，通过液压传动装置带动发 电机，在舟山群岛西候门潮流流速3 m s 条件下，发出了5 7 千瓦功率的电力。 8 0 年代，哈尔滨、青岛的一些研究单位，进行过千瓦级潮流发电船的试验。 潮流发电船利用潮流冲击安装在锚定的船舶两侧的水轮机转动发电。2 0 0 5 年，哈尔滨工程大学自行设计了我国第一座7 0 k w 潮流实验电站，采用漂浮 结构型式，由载体、双转子水轮机、锚系、液压恒频发电与控制系统等组成， 可在流速范围为1 6 以2 m s 的潮流、河流中安装运行。水轮机将潮流动能转 化为机械能，可带动发电机发电或驱动水泵提水，满足海岛渔民和边远地区 居民的用电和用水需求。 潮流发电的运行方式主要有两类：一类是将它作为常规电网电源，与电 网并联运行，这是大规模利用潮流能资源最经济的方式。另一类是独立运行 供电系统，一般在电网未能覆盖的地区，用潮流发电机组先为蓄电池充电， 再通过逆变器转换成交流电向终端用电器供电；或者采用中型潮流发电机组 与柴油发电机或太阳光电池组成混合供电系统，可解决小的社区用电问题翻。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传统的恒速恒频发电方式在潮流发电中占据着主导地位，这种系统要求 由液压马达来控制发电机转子的转速为恒定，发电机才能发出频率恒定的电 能。这导致它存在以下缺点：潮流能利用率低；系统结构复杂，适应性不强； 昂贵的液压马达导致系统的成本较高。变速恒频潮流发电技术作为一种新型 技术，有效的克服了以上缺点，因其高效性和实用性正受到国内外越来越多 的重视。 1 3 变速恒频技术 变速恒频发电是2 0 世纪7 0 年代中后期逐渐发展起来的一种新型发电技 术，其主要优点在于可以让水轮机变速运行，潮流能利用率高，结构简单， 成本低。 1 3 1 变速恒频潮流发电的功率转换系统 在变速恒频潮流发电系统中，需要变频装置来完成由发电机到电网的能 量传递，其主要结构种类如下： 1 交交变频器。交交变频器的特点是容量大( i o o ok w 以上) ，但是输出电 压谐波多，输人侧功率因数低，使用功率元件数量多，三相桥式变频器至少 需要3 6 只晶闸管，目前中小容量的变频器已很少采用交交变频器。 2 交直交变频器。交直交变频器不仅有效地克服了交交变频器的缺点， 而且易于控制策略的实现和双向变流，特别适合无刷双馈电机潮流发电系统 和变速恒频双馈电机潮流发电系统。 3 矩阵变换器。矩阵变换器使用的器件数目较交直交变频器多，器件承 受的耐压高，并且其输人输出控制不解耦，这些缺点在一定程度上限制了其 在潮流发电中的应用。 鉴于上述变频器的优缺点，目前变速恒频双馈潮流发电机组中大多采用 交直交变频器p 1 。 1 3 2 变速恒频潮流发电系统的种类 变速恒频潮汐发电机组采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子 变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频潮流发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电系统。近年来，世界上研究较多的交流电机变速恒频潮流发电系统主要有 以下4 种类型。 1 3 2 1 同步电机变速恒频潮流发电系统 同步发电机具有自己提供所需磁能的特点，是自励磁电机，电机效率高； 漏磁很低，容易实现低转速多极对数，可以采用直接驱动形式从而省去齿轮 箱，由此整个系统的成本相对降低了、并可提高可靠性、减小系统噪声。该 系统适用于大功率场合( i 5 m w ) 。同步发电机变速恒频发电系统如图1 1 所 示。 擀a c ，d c d c ，a c 图1 1 同步发电机发电系统结构图 当采用凸极励磁电机时，可以实现对电机功率因数的直接控制，由此， 在任何运行环境下都能将定子电流最小化。缺点是转子机械动态平衡困难： 需要额外的功率电子整流器来控制励磁绕组电流。 当采用永磁电机时，电机极距很小，从而可以减小低转速多极对数电机 的尺寸。缺点是外界出现过载等暂态现象时会影响系统的稳定性；超载或短 路时的高温将造成永磁材料的永久性损坏；永磁系统不能控制电机的电压和 功率因数。 1 。3 2 。2 笼型异步发电机变速恒频潮流发电系统 结构简单、成本低、易于维护和适用于恶劣的工作环境等优点使得笼形 异步电机在潮流发电中的应用得到了广泛和深入的研究。笼型异步电机变速 恒频潮流发电系统结构图，如图1 2 所示。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图l 。2 笼型异步发电机发电系统结构图 图中，定子绕组通过变频器同电网相连，从而在变化的水速下输出恒频 交流电。该系统的变频装置在定子侧，其容量裕度必须超过发电机额定功率 的3 0 - 5 0 才能为电机提供所需的磁场能量，从而造成整个系统的成本、 体积和重量显著增加，尤其是对于大容量潮流发电系统，因此该系统只适用 于小容量潮流发电。 1 3 2 3 无刷双馈异步电机潮流发电系统 1 9 8 3 年美国s t e i n m e t z 和德国的g o r g e s 提出了级联式无刷双馈电机，由 于该电机没有滑环和电刷，而且它还能够实现低速运行，因此受到人们的广 泛关注，其基本原理图如图1 3 所示。 发 机 图1 3 无刷双馈电机发电系统机构图 该系统省去了电机中的滑环和电刷等机械装置，提高了系统运行可靠性； 可低速运行，是大、中容量潮流发电系统很好的选择之一。缺点是电机结构 复杂，成本高，电机效率较低，只有7 0 左右。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j ii i i 宣葺；薯薯置薯宣薯宣鲁i | 薯皇_ _ 薯曩 1 3 2 4 双馈电机变速恒频潮流发电系统 双馈电机，又可叫做交流励磁电机。随着电力电子技术和数字控制技术 的发展，双馈电机在电气性能方面所具有的一系列优点和巨大的潜力，已经 引起国内外的高度重视。它随着转子交流励磁频率的改变，无论在电动机工 况，还是在发电机工况下运行，电机的转速都可以调节变化，而定子输出电 压和频率维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性， 因而在现代交流电机调速和潮流、风力发电等领域有着广泛的应用前景。缺 点是发电机有滑环和电刷等机械部件。 由双馈发电机构成的变速恒频潮流发电系统结构示意图如图1 4 所示。 它的变频器在转子侧，因此只需要一部分功率容量( 发电机额定功率的1 4 ) ， 变频器就能在超载范围内调节系统，这样就大大降低了变频器的成本和控制 难度；定子直接接在电网上，使得该系统具有很强的抗干扰性，稳定性强； 可以实现有功和无功的灵活控制，对电网亦可起到无功补偿的作用。 图1 4 双馈电机变速恒频潮流发电系统结构图 由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子 回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，它可以双向流 动。采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使 原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅 值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为 柔性连接p 1 。基于上述诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频潮流发电系 统已经成为目前国际上潮流发电方面的研究热点和必然的发展趋势。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 双馈发电机的研究现状 由于双馈电机在运行上具有很多优点，展现了其广阔的应用前景。因此， 近十年来，世界各国的学者对双馈电机无论是作为电动机还是作为发电机运 行都进行了大量的研究工作，部分成果和技术已逐步在工业上得到应用。 国内外一些学者对控制系统调节器设计方案进行了深入的研究和分析， m m a c h m o u m 、f p o i t i e r s 等基于定子磁场定向的双馈发电机系统，分析和比 较了控制系统采用典型p i 控制和基于极点配置理论的控制器设计对于转子 速度突变的响应，以及电机参数变化所引起的敏感性和鲁棒性问题，仿真结 果表明后者在多个方面都优于前者。同时也分析和比较了控制系统采用典型 p i 控制和基于状态空间观测器设计对系统性能的影响。仿真表明，尽管基于 状态空间观测器设计的计算量大，但设计出的参数比前者更有效嗍。e e l h w a n k i m 等基于定子磁场定向的双馈发电机系统，分析和比较了采用典型p i 控 制和模糊控制对系统功率因数控制的影响，实验结果表明后者在动态性能方 面优于前者陋1 。s a n t i a g o 等提出采用控制双馈发电机输出电流波形来解决电压 传输不对称问题，包括采用线性p i 、非线性模糊控制器和采用模糊控制在线 调节p i 参数的混合策略，并比较了三种方法的性能。研究表明，后两者较 线性p i 而言能够更好抑制电压传输不对称问题嘲。h a n s 等基于定子磁场定 向的双馈发电系统，分析了采用速度控制模式获得最大功率追踪时，转矩环 时间常数对速度、电磁转矩的动态响应以及对转矩纹波的影响。仿真表明， 大时间常数动态响应慢，小时间常数可以加快动态响应但会带来振荡；同时 为了避免转矩和功率波动，速度环增益应取得小一点口1 。 从稳定性分析方面考虑，m g l o a n n i d e s 等从旋转坐标系下的等值电路出 发，采用小信号模型分析了双馈系统的动态稳定性。仿真研究表明，系统稳 定性受电机转速、转子电压幅值和相位的影响喁1 。a h m e dm a s m o u d i 等基于定 子磁场定向的双馈系统分析了电机主磁通饱和对稳定性的影响，稳定性分析 采用小信号模型特征值法。仿真研究表明，主磁通饱和限制了电机的阻尼能 力，降低了系统的稳定性网。l o n g y ax u 等采用小信号模型分析了任意旋转坐 标系下双馈电机转子电压或电流开环控制系统，仿真研究表明双馈电机作电 动或者发电运行时，只要获得合适的转子电流矢量角，系统都是稳定的n 0 1 。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对于系统功率流动性问题，a h m e dt o u m i 等采用圆周图表法，包括重叠 法和球型法，分析功率流动和稳态稳定区域。该方法中用到的最主要的两个 参数是转子电压有效值和折算后的转子电压和定子电压矢量之间的夹角。研 究表明，该方法非常适合于功率流动和稳态特性分析，但研究没有将铁损、 摩擦考虑到图形表示法中去。w h o f i n a n n 等基于定子磁场定向的双馈发电 机系统，仿真分析了定子磁通在低速和弱磁条件下以及在额定磁通条件下系 统损耗最小的三种控制方案u “。 目前，我国的变速恒频双馈潮流发电机组还处在研发阶段。其中，双馈 潮流发电机的变速恒频运行原理，并网运行时定子端有功、无功解耦控制技 术和并网控制技术是变速恒频双馈潮流发电技术的研究重点和难点。 1 5 本文的主要研究内容 论文以双馈发电机为研究对象，对由其构成的潮流发电系统及其相关的 控制技术进行研究。通过双馈电机的数学模型，建立了基于定子磁场定向的 矢量控制仿真模型，得到了相应曲线。验证了并网运行时基于定子磁场定向 控制的励磁系统可以实现定子有功功率和无功功率的解耦控制；独立运行时 通过调节电机转子励磁电压的幅值大小和频率即可保证电机定子端输出电压 幅值大小和频率不变。设计了s v p w m 励磁控制系统的硬件和软件。 论文共分为5 章，第l 章绪论；第2 章阐述双馈电机的工作原理，建立 了双馈发电机的等值电路模型，定性分析了双馈发电机运行特性、功率流动 关系、稳态运行性能等问题：第3 章从双馈发电机复矢量模型出发，建立了 双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型，研究了双馈发电机的控制 方式、运行性能和系统功率流动等问题。在分析电机有功功率、无功功率解 耦控制规律的基础上，论文给出了基于定子磁场定向控制策略的实现方案， 然后利用m a t l a b 工具对该控制方案进行了仿真研究；第4 章主要讨论了双馈 潮流发电系统的硬件系统设计，给出了关键电路的原理图；第5 章完成系统 的软件设计，利用s v p w m 算法设计系统控制程序，介绍了一种简单易实现 的定子磁通观测方案。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章双馈发电机工作原理 2 1 双馈电机的结构和工作原理 本文的研究对象是双馈发电机，由于有刷双馈电机并网运行时定、转子 都外接电源，流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转 差功率，它可以双向流动，因此许多文献把这种交流励磁发电机称作双馈发 电机或交流励磁双馈发电机n 列。在对它进行性能分析、控制系统设计过程中， 首先必须建立对象的数学模型。等值电路模型是研究各种电机最有效、最直 观的武器。本章也从双馈发电机的等值电路模型出发，对双馈发电机中的功 率、电磁转矩等关键控制量进行定量分析，并对系统功率流动特性、运行特 性、稳态特性等进行了定性分析，为后续章节采用矢量控制的分析与设计提 供理论依据。 双馈感应电机的定子和转子均安放对称三相绕组，它既可以作为电动机 运行，又可以作为发电机运行( 这时又可以称为变速恒频交流励磁发电机) ， 它的结构类似于绕线式异步电机，其定子与普通交流电机定子相似，定子绕 组由具有固定频率的对称三相电源激励。电机定转子极对数相同，转子绕组 由具有可调节频率的对称三相电源激励。电机的转速由定转子之间的转差频 率确定。电机的定转子磁场是同步旋转的，因此它又具有类似同步电机的特 性。 当电机定子对称三相绕组由频率万的电网供电时，气隙中基波旋转磁场 的同步转速为n 3 ，满足石= n 。n 3 6 0 。转子由原动机带动以转速旋转，而在 转子对称三相绕组中施以频率为斩( j 为转差率) 的变频电源，在转子中产 生三相对称电流，它们产生的基波旋转磁势只相对于转子而言以转差速度 趴旋转，相对于定子以同步转速旋转。转子磁势在气隙中建立的基波旋转磁 场，在定子绕组中产生感应电势( 频率为石) ，该电势与外加至定子绕组中的 电源电压共同作用形成三相对称电流，由此产生的定子基波磁势f 同样以同 步转速旋转。定转子磁势相对静止，在气隙中形成合成磁势瓦，该磁势在气 隙中产生合成磁场y ，分别与定转子绕组交链，在绕组中分别感应电势e 、 e ( 频率为s f , ) u q 。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ i i i 暑宣暑暑暑| 蕾皇宣置；i 皇宣i ；置暑葺暑审暑置暑葺叠置覃置宣置i 宣i 宣墨i 葺i 蕾i 目皇i 葺皇薯一 实质上，双馈电机与普通异步电机的工作原理是一致的。二者的区别在 于普通异步电机转子电流的频率取决于电机的转速，由转子短路条感应电势 的频率决定，与转差率有关，而转子电流本身的频率不能自主地、人为地调 整。而双馈电机转子绕组的频率由# l - ：0 l l 交流励磁电源供电，其频率可以随之 变化调节。因此，双馈电机既具有异步电机的工作原理，又具有同步电机的 工作特性。 2 2 双馈发电机并网运行的等值电路 双馈电机定转子均为三相对称绕组，它均匀分布在电机圆周内，气隙均 匀，电路、磁路呈对称分布。现作如下假定： 1 只考虑定转子电流的基波分量，忽略谐波分量； 2 只考虑定转子空间磁势基波分量，忽略磁滞、涡流损耗和铁耗； 3 变频电源可为转子提供能满足幅值、频率及功率因数要求的电源； 4 不计电源阻抗与损耗。 定子方正方向按发电机惯例定义，转子方正方向按电动机惯例定义。根 据磁势与电势平衡原则，将转子方各物理量折算至定子方，可得并网运行时 的基本方程式如式( 2 1 ) 所示，由基本方程式可得等值电路如图2 1 所示。 k = 骂一厶( 吒+ j x , ) 垦：应+ 丘浮+ 觑) j 3 厶= 五+ l ( 2 1 ) 互= 易 ”r 乜l2 ，f 。屹 l o 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 眨 图2 1 双馈电机并网运行的等值电路 式中，巧为定子电压；五为定子电流；五为定子电阻；五为定子漏感抗； k 为折算后的转子电压；厶为折算后的转子电流；为折算后的转子电阻； 而为折算后的转子漏感抗；厶为激磁电流；为激磁电阻；x m 为激磁电抗； j 为转差率；与、垦为感应电势。另外，由于名，故忽略乙。 运用“单时轴，多矢量法”概念，即假定： 1 每一相都取自己的相轴为时轴； 2 任一相的电流相量i ( 时间相量) 与该电流产生的磁势矢量万( 空间 矢量) 重合； 3 主磁通与任一相绕组交链的磁通相量( 时间相量) 与主磁通的磁密 波矢量( 空间矢量) 重合。 由上述假定，可得到双馈电机的时空矢量如图2 2 所示： 图2 2 双馈电机时空矢量图 l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上述时空矢量图通过公共的主磁通把不同频率的定子量和转子量联系起 来。由于图中所有矢量都以同步转速旋转，各矢量相对静止，因此定子上的 时间相量和转子上的时间相量，尽管频率不同，但仍然存在着恒定的大小和 相位关系。这种关系可以用来分析定转子之间的相互作用，但定转子时间相 量之间的相位关系并没有直接的物理意义u ”。 2 3 双馈发电机并网运行的功率流动分析 2 3 1 双馈发电机的功率计算 由时空矢量图及等值电路，利用叠加原理，可将图2 1 分解成为图2 3 。 吃 吃 图2 3 等值电路分解图 以定子电压k 为参考量，即k = 巧l o 。，则k = kl a = v 2 ( e o s a + j s i n e t ) ， 可得到分解电路各量计算如下： 1 2 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 蒸s急 一 + 一 + 蛮茹 一 + ， 卜 一 吒 n = t f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v 2 厶2 。五了乏丽 ( 2 4 ) 詈+ 妈+ 躺 ( 2 - 5 ) 由叠加原理可知，= ：一厶。，厶= 如一厶。，将式( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、 ( 2 5 ) 代入可得： ) 1 d 1 v j 2 s i i l 口+ k 争+ 或( 巧( 靠+ 吃) 一等c o s 口) 】 一歹去 吃( k ( + 吃) 一孚c 。s 口) 一d b ( v - - s z - 2x , s i n 口+ k 争】 ( 2 6 ) ) 2 。1 。v s 2 一( 吒c o s 口- - ( + _ ) s i l l 口) + 魂謦“+ 而) c o s g + 巧s i i l 口一k k ) + 歹去 d 口( 导( ( 靠+ _ ) c o s g + 吒s i l l 口) 一k ) 】 一，扣手( 吒c o s a - ( x , s i n 训 ( 2 - 7 ) 式中： 见= f i r = 一( 五恐+ 靠( 五+ 而) ) 】 见= 哦吃+ 垒而+ ( 吒+ 锄 d = 珥+ 群 定子方功率： 定子每相有功功率为： 暑= r e ( v i f ) 羔 = 控 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 一知 + 詈+ 等吒】一警吼c o s a - - s 酬 ( 2 - 8 ) 其中：f 为i i 的共轭值。 定子每相无功功率为： g _ h ( 讥枷一鲁哦c o s a - e c o s 。s m a 】 g = h n ( n 耳) = 一等【见 。】 一吾 蛾+ 芝) ( 五吃+ h ( 五+ 恐) ) + 莓s ( 五+ 瓷) ( 2 9 ) 定子每相铜耗为： 定子每相漏抗产生的无功为： 激磁电抗产生的无功为： e 。= 片吒 瓯= p 1 2 由上可知定子方从气隙中获得的有功功率为： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 毛= e + p ，= 吾2 ( 2 墨一呼争+ 等 c o s 口( 詈( + 五) 一五+ ) ) 】 + 盟d s 陋呼慨+ 瓴+ 毪) ) 】 ( 2 1 3 ) 同理，定子方从气隙中获得的无功功率为： g ，= q l + q 。+ 既= 吾荸( 五+ + 彳) 一k 2 x m x 2 】 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 + 警靠【c 0 s 口哗一墨毪埘墨+ 圳墒嘶矿_ 詈一瓴+ 枷( 2 1 4 ) 转子方功率： 转子每相有功功率为： 最= r e e 走，= 斋睁+ ( _ + c 五詈+ c ，i + 和 一警( 见c o s q ：+ d a s i i l 口)( 2 - 1 5 ) 其中：为1 2 的共轭值； 转子每相无功功率为： q = i n l ( 孚圣) = s - 蔡d - d ( 而+ t ) 彳+ ( + 墨) ( ( 工：_ + ( 毛+ 恐) ) 】 一- 警x = d o c o s 口+ d bs 洫瑾】 转子每相铜耗为：p ：= 霹吒 转子每相漏抗产生的无功为： 皱：= 薯屯 所以转子方传递至气隙的有功功率为； ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) p 9 2 - - - - 丑一。：= 吾( 等一巧2 乞) + 警【c o s 口( 詈( + _ ) c 1 ) 一，i ( 而+ ) ) 】 + 喾陋口呼懈+ 瓴+ 硼 ( 2 - 1 9 ) 转子方传至气隙的无功功率为： q g ：= q 2 一q ：= 吾号( 五靠+ + 孑) 一s k 2 t 】 哈尔滨工程大学硕士学位论文 + 警【c o s 口呼一五屯+ 她+ 删础口( r 。x 2 一五号一x m ( r 。+ 枷( 2 - 2 。) 比较式( 2 - 1 3 ) - - 与( 2 1 4 ) ，式( 2 - 1 4 ) 与( 2 2 0 ) ，可知： 盛毫： 卜q g 2q g ： 、7 由以上等值电路的分析和定量计算可知，转子方传递至气隙的功率等于 定子方从气隙中获取的功率与转差率之积1 4 1 。 2 3 2 双馈发电机的电磁功率和电磁转矩 按发电机惯例，电磁功率表达式为： 乇= r e ( 3 e 。i ：) = r e 3 ( i z r q ) j x 耳】= 3 r 毛玩石)( 2 - 2 2 ) 将式( 2 - 1 ) 中的定子电压方程两端同时乘以，可得 k = 巨一g + a ) = 置一矸瓴+ a ) ( 2 2 3 ) 将式( 2 2 3 ) 两端乘以3 ，并取该式实部，可得 r e ( 3 v 1 ) = r e ( 3 e l ) 一r e ( 3 矸( ，i + j x o )( 2 2 4 ) 将式( 2 - 7 ) 、( 2 一l o ) 、( 2 - 2 2 ) 代入上式，化简后可得 3 置= 匕一3 p l ( 2 - 2 5 ) 同理，将式( 2 一1 ) 中的转子电压方程两端同时乘以，重复上面的方法， 计算并化简后可得： 3 昱= 吆十3 e 2 ( 2 - 2 6 ) 比较式( 2 1 3 ) 与( 2 2 5 ) ，可以看出，定子方从气隙获取的有功功率实际上 就是电磁功率减去定子铜耗，即为定子方发出的电功率；比较式( 2 1 9 ) 与 ( 2 2 6 ) ，转子方传递至气隙的有功功率等于电磁功率与转差率的乘积，这也就 是平常所说的转差功率。上面的定性分析与通过等值电路计算的定量分析结 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 论完全一致。 对于发电机，若轴上输入的机械功率为己，根据能量守- t 亘j - o n g ： 己+ 吆= 户绷 己= ( 1 - s ) l 将式( 2 - 1 3 ) 代入( 2 2 8 ) ，可得： ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 s ) 乞= 3 ( 1 一s ) 吾2 争21 一k 2 争+ 3 ( 1 一占) 争呻s 口e ( 五+ ) 一吒( 而+ ) ) 】 + 3 ( 1 叫警陋口粤懈吲五圳) 】( 2 - 2 9 ) 电磁转矩可以表示为： 乙= 鲁= 乙= 鲁 ( 2 3 0 ) 式中：q 为转子机械角速度，q = q ( 1 一s ) 由机械功率表达式可以导出电磁转矩表达式，它由三个分量组成，即： 式中： 乙= 五+ 五+ 互 五一3 嘉3 k 2 詈缎s 辅嘉孚 q s ( 2 - 3 1 ) 即器 c 0 s 口e ( 葺州而) + s i n c r ( r l s r 2 4 x i x 2 4 她删； 可见，五o c 一巧2 sn - * 应转n ，当j 一定时，五由定子电压的幅值大小 确定。0 s l 时，墨 0 ，恒为制动转矩，当j 一定时， 夏由转子电源电压的幅值大小确定。五是由定转子磁场相互作用产生的，可 看作同步转矩，其值可正可负。因此，在一般情况下，双馈电机的电磁功率 和电磁转矩不但与转差率s 有关，还与定转子电压幅值以及它们之间的相位 差角口有关。 。 2 3 3 双馈发电机的功率流动分析 与双馈电机作电动机运行相比较，这里只研究双馈电机作发电机运行的 特性，包括次同步发电工况和超同步发电工况。 当0 s 0 ，表示电磁功率一 部分由转子方电源提供，此时原动机提供的机械功率为( 1 一s ) g r , ；当s 0 时， 电机超同步运行，转差功率为皿。 0 ，表示转子方电源吸收由电机气隙回馈 的一部分电磁功率，此时原动机提供的机械功率为( 1 + l s l ) p 绷，表示定子方发 出的电功率以及转子方电源吸收的电功率全部由原动机承担。 由定子端有功功率和无功功率的表达式可知知道：独立调节转子方外加 电压巧的幅值和相位角艿就可以控制双馈发电机定子端口的有功功率和无 功功率。在转差率保持不变的情况下，如果转子电流有功分量发生变化，只 要适当调节k 的幅值和相位角万，就可以保持转子电流无功分量不变，或者 使定子端口的有功功率和无功功率保持一定的功率因数关系。 假定定转予铜耗分别以么和乞表示，定转子有功功率分别以只和p 表 示，则= 3 0 。，名= 3 # ：，= 乞一，0 = h 乞名，。忽略铁损和机 械损耗，根据前节电机的功率计算，可以得到次同步、超同步运行工况下的 电机功率流动关系分别如图2 4 和2 5 所示。 图2 4 次同步运行功率流动关系 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 超同步运行功率流动关系 2 4 双馈电机独立运行分析 假设定子端接一负载，负载电阻和电抗分别为r o 和。其分析方法可借 助于前面并网运行时的关系式。可令：定子电压k = 0 ；定子电阻由巧变为 r l + t o ，定子漏电抗由墨变为墨+ x o ，其余保持不变。等效电路如图2 6 所示。 由双馈发电机独立运行等值电路可得： k o = ( t o + 风) 厶 ( 2 3 2 ) 攻= s 三【盥艺p 盟( + 鹃) + r l + t o + 鹏】 图2 6 双馈发电机独立运行等值电路 无论负载或者转速如何变化，要保证输出电压k 。幅值大小和频率不变， 根据上面的式子调节转子励磁电压吃的幅值大小和频率即可。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 双馈电机的控制理论 为了实现双馈电机的变速恒频发电，对并网运行时定子端口输出有功、 无功功率的独立调节，需要为双馈发电机选择一种合适的主电路结构并配以 有效的控制策略。 2 5 1 主电路拓扑结构 从根本上说，双馈发电系统主电路拓扑结构必须保证双馈电机在整个速 度运行范围内，转差能量有双向流动的路径。目前最常用的功率转换系统是 带中间直流环节( 电容或电感) 的背靠背( b a c k - t o b a c k ) 电压源( 或电流源) 交直交p w m 变换器结构。其实质就是两个三相全桥结构，共1 2 个功率开 关，而且p w m 控制简单成熟，控制策略和双向变流易于实现，因而得到了 广泛的应用。 2 。5 。2 励磁控制策略 双馈电机与普通异步电机的工作原理在本质上是一致的。二者的区别在 于普通异步电机转子电流的频率取决于电机的转速，由转子短路条感应电势 的频率决定，与转差率有关，转子电流本身的频率不能自主地、人为地调整。 而双馈电机转子绕组的频率由外加交流励磁电源供电，其频率可以随之变化 调节。因此，双馈电机既具有异步电机的工作原理，又具有同步电机的工作 特性，是一种具有同步特性的特殊的异步电机。 j t a m u r a 、m s v i c a t o s 等从双馈电机静止坐标系下的等值电路出发，详 细分析了双馈电机的稳态运行性能。研究结果表明，定子有功功率调节决定 于转子电压相位，定子无功功率调节决定于转子电压幅值；最大效率和最小 铜损耗决定于转子电压合适的幅值【1 司。采用这种标量分析方法，在具体到 某个被控量如定子端口有功功率、无功功率时，表达式冗长复杂。因此若采 用标量控制时，由于是基于稳态特性的控制方案，不仅控制性能的动态特性 较差而且不利于数字实现。 m i t s u t o s h iy a m a m o t o 等提出了并网型气隙磁场定向控制的双馈发电机数 学模型，能够实现定子端口有功和无功功率的解耦控制，但该励磁控制模型 在推导中忽略了定子漏阻抗和转子漏感，同时近似地认为气隙磁链为常数， 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 在很大程度上造成励磁控制模型精度有所下降“。另外，在实际控制系统中 要准确做到气隙磁场的定向不太容易，往往要增加控制系统的复杂性。 r p e n a 等提出了并网型定子磁场定向