（电机与电器专业论文）基于bdfm的变速恒频发电机的功率控制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第li 页 a b s t r a c t w i 也t h eg r o w i n ge n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h e r ei sag r o w i n g e m p h a s i so nw i n de n e r g y , s m a l lh y d r o p o w e r , t i d a le n e r g ya n do t h e rr e n e w a b l es o u r c e s t h e o b a m ag o v e r n m e n tp r o p o s e sa ”n e we n e r g yp l a n ”w h i c hw i l lh a v ef a r - r e a c h i n ge r i e c t i o n s o nt h ef u t u r ew o r l dp o l i t i c s e c o n o m ya n de n e r g ys t i u c t l l r e b r u s h l e s sd o u b l y f e dg e n e r a t o r i so n ek i n do fv s c f ( 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 ) g e n e r a t o r , w h i c hi sb r u s h l e s s 。n o n e s l i pr i n g ，i so fh i g hr e l i a b i l i t y , h a ss m a l lc a p a c i t ya n da l s oc a na d j u s tt h ea c t i v ea n dr e a c t i v e p o w e ri n d e p e n d e n t l yc o m p a r i n gt oo t h e rk i n do fg e n e r a t o r s t h e r e f o r e ，g r o w i n ge m p h a s i si s f o c u so nt h ed e v e l o p m e n to fn e we n e r g yp o w e rg e n e r a t i o nt h a ti sa p p l i c a b l et ot h es p e c i f i c g e n e r a t o r a n di th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u eo ns t u d y i n gt h eb r u s h l e s s d o u b l y - f e dg e n e r a t o r t l l i sp a p e r , w o r k so nb d f mw h i c hh a ss q u i r r e l c a g er o t o rs t r u c t u r ei st h eo b je c tt o s t u d yt od e t a i l e d l ya n a l y z e 也ei n t e r n a le l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s e s t a b l i s h st h eb a s i c e q u a t i o no ft h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n da n a l y z e st h ed i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e s i ta l s o e s t a b l i s h e sd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb r u s h l e s sd o u b l y f e dm o t o rb yu s i n g c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt h e o r y , a n ds e tu pt h er o t o rs p e e dd - qm o d e li nt h e m a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t w h i c hi su s e dt os i m u l a t ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw h e n i tw o r k so ns i n g l ef e e d d u a l f e ds y n c h r o n o u s d o u b l y f e do p e r a t i o na n dp o w e rg e n e r a t i o n m o d e a n do t i t a i n st h ec o n c l u s i o nt h a tt h eb d f mn e e d ss m a l lc o n v e r t e rc a p a c i t ya n di t s s p e e dc o n v e r t e ri so fs y n c h r o n o u sm o t o rc h a r a c t e r i s t i c s m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sv a r i e 够c o n t r o ls t r a t e g i e so fb d f m ，g i v e ss i g n i f i c a n t a n a l y s i so fi t sv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g ya n dp r o p o s e ss t a t o rf l u x 0 r i e n t e dd e c o u p l i n gc o n t r o l s t r a t e g y o fs p e e db r u s h l e s s d o u b l y f e dg e n e r a t o rb a s i n g o nd - qr o t o rm o d e l t h e s i m u l a t i o nr e s u l t s w h i c hh a sl a i dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt of u r t h e rs t u d yo ft h eb r u s h l e s s d p u b l y f e dg e n e r a t i o ns y s t e m v e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so fb m s h l e s sd o u b l y f e dg e n e r a t i o n s y s t e mm o d e la n dt h ev a l i d i t yo fp o w e rw i n d i n gf i e l do r i e n t e dc o n t r 0 1 t h eb d f mi ss u i t a b l et oa cs p e e dc o n t r o ls y s t e mo fg r e a tc a p a c i t yb e s i d e sw o r k i n g a sv s c fg e n e r a t o r t h ee x t e n s i v eu s eo fb d f mi np o w e rs y s t e mc a nb o t ho p e nt h es o u r c e ， t h r o t t l e s i g n i f i c a n t l yi m p r o v ep o w e rq u a l i t ya n di n c r e a s et h es y s t e mr e l i a b i l i t y t h e r e s e a r c hi nt h i sp a p e rw i l lg i v es o m er e f e r e n c ev a l u eo nd e v e l o p m e n to fb d f ma n dp o w e r c o n t r 0 1 k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd o u b l yf e dm a e h i n e ( b d f m ) ；f i e l do r i e n t a t i o n ；v e c t o rc o n t r o l ；p o w e r c o n t r o l 西南交通大学四南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密眵使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名：7 陶唔乙 指导老师签名： l 1 日期：卯户舌f 日期： 去劬邛 f ， 托眇，钆l 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 从无刷双馈电机的特殊结构出发，推导了b d f m 内部的电磁过程，建立了基本 方程，给出了基于电动势等效的一种等效电路；用坐标变换得到了b d f m 在转子速 砌坐标系下的数学模型；仿真分析了b d f m 的几种运行特性，得出其在双馈模式下 具有同步电机调速特性的结论。然后讨论了b d f m 的控制方法，推出了矢量解耦控 制的数学方程；提出了一种基于转子速砌坐标系的功率矢量解耦控制，在 m a t l a b s i m u l e 中建立了功率解耦控制模型，仿真验证了控制算法的有效性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。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发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位敝储鹤：和旱 日期：似闷易- f ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 可再生能源与可持续发展 随着人口的增加和工业化的发展，人们面临越来越严重的能源危机和环境危机； 能源和环境问题已经成为了制约人类生存和发展的首要问题。自1 9 9 2 年联合国环境 与发展大会之后，可持续发展的思想开始深入人心。“开发利用可再生能源，改善能 源结构，减排温室气体，保护环境”己成为了世界各国政府的共识。开发利用可再生 能源是人类能够实现可持续发展的关键。一场世界性的开发利用新能源的浪潮己经到 来。 常规能源以煤、石油、天然气为主，它们不仅资源有限，而且造成了严重的大气 污染。联合国开发计划署( u n d p ) 把新能源分为以下三大类：大中型水电；新可再 生能源，包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能( 潮汐能) ； 穿透生物质能。 1 1 1 风能发电 地球上风力资源蕴藏量丰富，是一种既清洁又廉价的可再生资源。世界气象组织 ( w m o ) 估计地球上海洋和陆地的风能资源约为2 0 0 亿k w ，其中陆地约占一半。在全 球范围内能源短缺和生态环境日益恶化的今天，各国对风能的开发利用越来越重视。 许多国家把风电建设作为重要的能源政策。目前有些发达国家成功地使每千瓦风电投 资接近火电投资，并将进一步降低发电成本，风电工业展示了较好的发展前景。 绿色能源中，风能不仅储量大，可利用率高，而且便于大规模开发。1 9 9 0 年以来， 全球风力发电设备总装机容量增长了1 5 ，年平均增长率达到2 0 。截至2 0 0 1 年底， 全世界风力发电装机容量已达2 4 1 0 0 m w 。己运行机组的最大单机容量已达5 m w 。我 国可开发利用的风能资源陆地为2 5 3 亿k w ，近海7 5 亿k w ，合计1 0 0 3 亿k w ，仅 次于前苏联和美国。近年来，我国风力发电装机容量增加较快，2 0 0 3 年达5 6 7 m w 。 按照国家发展规划，我国风电装机容量到2 0 1 0 年将达4 0 0 0 m w ；2 0 2 0 年将达到 2 0 0 0 0 m w t l 3 1 。 目前我国新建和在建的风电场的机组基本上是由丹麦、德国等国提供成套设备或 引进技术和部件在国内制造组装。进口风力发电机组占据着国内风电市场的主要地 位，2 0 0 0 年以前，进口机组在国内风力发电市场上的份额一直在9 5 以上。虽然我 国的风能利用方面与国际水平还有一定差距，但是发展很快，国内的风电机组厂商凭 借价格优势也逐渐打开了局面，2 0 0 3 年国产并网风电机组占到当年新增装机容量的 4 2 累计市场份额达到2 0 。无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。 随着风电的发展，陆地上的风机总数已经趋于饱和，海上风电场将成为未来发展 的重点。海上发电是近年来国际风电产业发展的新领域，是“方向中的方向”。 1 1 2 水能发电 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 水能作为可再生能源的代表之一，是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。 广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能 资源指河流的水能资源。地表水的流动是重要的一环，在落差大、流量大的地区，水 能资源丰富。目前世界上水力发电还处于起步阶段。河流、潮汐、波浪以及涌浪等水 运动均可以用来发电。 据统计：世界河流水能资源理论蕴藏量为4 0 万亿k w h ，技术可开发水能资源为 1 4 3 7 万亿k w h ，约为理论蕴藏量的3 5 6 ；经济可开发水能资源为8 0 8 2 万亿k w h ， 为理论蕴藏量的2 0 。世界可开发水能资源主要蕴藏在发展中国家。我国水能资源理 论蕴藏量5 9 2 0 万亿k w h 、技术可开发量1 9 2 0 万亿k w h 、经济可开发量1 2 6 0 万亿 k w h 均居世界第1 位，其次为俄罗斯、巴西和加拿大。一些国家可开发水能资源见 表1 。 表1 主要国家可开发水能资源统计表 技术可开发经济可开发技术可开发经济口j 开发 国别国别 ( 万亿k w h )( t j 亿k w h 1( 万亿k w h )( 万亿k w l a ) 中国 19 2 3 31 2 6 0 0 美国 5 28 537 6 0 巴两 13 0 0 07 6 3 5 挪威 2 0 0 017 9 6 俄罗斯 16 7 0 06 0 0 0哥伦比亚2 0 0 014 0 0 加拿大 9 8lo5 3 6 0 阿根廷 17 2 013 0 0 刚果7 7 4 0 419 2 土耳其 2 l5 012 3 0 印度 6 6 0 04 4 3 6日本135 6114 3 注：1 、本表根据经济可开发水能资源由大到小排列。 2 、资料来源：英国国际水力发电与坝工建设季刊的( 2 0 0 0 年水电地图集。 水电是可再牛能源，而通常的大型水电属于传统能源，而小水电( s m a l l h y d r o p o w e r ) 属于新能源。国家于2 0 0 5 年2 月份颁布的可再生能源法，鼓励包括 小水电在内的可再生能源的开发。中国在1 9 8 6 年规定，单站容量2 5 0 0 0 k w 以下的水 电站均可按小水电政策建设和管理。中国小水电资源丰富，共有1 5 亿k w ，其可开发 资源为7 0 0 0 万k w 。中国的小水电建设成绩居世界之冠，中国小水电可开发量占全国 水电资源可开发量的2 3 ，占世界一半左右，居世界第一位。而且，中国的小水电资 源分布广泛，特别是广大农村地区和偏远山区，适合因地制宜开发利用，既可以发展 地方经济解决当地人民用电困难的问题，又可以给投资人带来可观的效益回报，有很 大的发展前景，它将成为中国2 1 世纪前2 0 年的发展热点。 1 2 变速恒频发电系统现状 变速恒频发电是2 0 世纪末发展起来的一种新型发电方式，它将电力电子技术、 矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中，改变了以往恒速才能恒 频的传统发电概念，在变水头的水力发电、能量随机变化的风力发电，以及舰船、飞 机、车辆等变速主轴驱动的特殊发电场合中获得了越来越广泛的应用，并表现出了卓 越的运行性能，成为电力技术研究中的热点。 在我国交流发电领域中，同步发电机是必不可少的关键设备，由于广泛采用直流 励磁系统，为保证发电机输出频率为5 0 h z ，转子转速必须严格以同步转速运行，从 而构成了一种以恒速运行为基本约束的原动机发电机刚性连接机电耦合系统；而且 原动机任何形式的速度变化都会影响到发电机输出质量和发电机的安全运行，严重时 甚至会影响到电力系统的稳定性，采用转子交流励磁的变速恒频双馈发电机的方式可 以较好地解决这一问题。另外，在水力和风力等可再生能源发电领域，交流励磁的变 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 速恒频双馈发电方式可以提高能量的获取和转换的效率，解决再生能源高效利用的问 题。 根据变速恒频发电系统的构成特点可将其分成两类：一类是全额功率变换型，另 一类是转差功率变换型。 ( 1 ) 交一直一交发电系统 这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的，如图1 1 所示1 4 j 。系 统将发电机输出的幅值和频率变化的交流电通过a c d c a c 变流器转换为与电网电 压和频率相同的恒压恒频交流电能。由于需要将发电机输出的全部电能进行功率变 换，因而发电系统的成本较高，但变速恒频的控制技术相对较简单。 图1 1 交一直一交发电系统 这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响；同时由于频率变换装置 采用静态自励式逆变器，虽然可调节无功功率，但有高频电流流向电网。在此系统中 可以采用的发电机有同步发电机、笼型异步发电机、绕线式异步发电机和永磁发电机。 ( 2 ) 交流励磁双馈发电系统 系统如图1 2 所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式 异步电机类似1 5 j 。 公用电网 图1 2 交流励磁双馈发电机系统 当发电机转速1 1 变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定， 彳= p 木厶+ 五 即应满足 ( 1 1 ) 式中 定子电流频率，与电网频率相同； 扁转子机械频率，扁= n 6 0 ； r 电机的极对数； 尼转子电流频率。 由式( 1 1 ) 可知，当发电机的转速”变化时，即p * f m 变化时，若控制尼相应变化， 可使五保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。 ( 3 ) 永磁发电机变速恒频发电系统1 6 j 该系统与笼型变速恒频发电系统类似， 子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源， 只是所采用的发电机为永磁式发电机，转 提高了效率。其变速恒频控制也是在定子 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 电路实现的，把永磁发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，因 此变频器的容量与系统的额定容量相同。 采用永磁发电机可做到原动机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动 式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。尽管由于直接耦合，永磁发电 机的转速很低，使发电机体积大、成本高，但由于省去了价格较高的齿轮箱，使整个 系统的成本还是降低了。 上述的几种变速恒频发电系统尽管各具优点，但也存在一些问题。因此，研究开 发能实现有功、无功功率的独立调节，对电网起到无功补偿，降低变频器容量，无刷 化运行的高可靠、成本低、体积小的变速恒频发电系统，也是电气工程领域的热门课 题。 ( 4 ) 无刷爪极自励发电系统 无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分。其定子铁 心及电枢绕组与一般同步电机基本相同。由于爪极发电机的磁路系统式一种并联磁路 结构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组，因此与一般的同步发电机相比， 励磁绕组所用的材料较省，所需的励磁功率也较小。对于一台8 极电机，在每极磁通 及磁路磁密系统的条件下，爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所消耗的励磁功率将不 到一般同步电机的一半，故具有较高的效率。另外无刷爪极电机与永磁电机一样系无 刷结构，基本上不需要维护。与永磁电机相比，无刷爪极发电机除了机械摩擦力矩外 基本上没有什么起动阻力矩。另一个优点是具有很好的调节性能，通过调节励磁可以 很方便地控制它的输出特性，得到最好的运行效率。这种友电机非常适合用于千瓦级 的发电装置中。 ( 5 ) 开关磁阻发电系统 开关磁阻式发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量转换核心的i7 | 。开关磁阻发 电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既 无绕组也无磁体。由此带来变换器及控制、驱动的简洁性。与传统的有刷直流发电机 及旋转整流无刷同步发电机相比，开关磁阻发电机相绕组间无电耦合，具有明显的容 错能力强、组合起动与发电容易、适合高温( 2 5 0 c ) 和高速( 3 0 0 0 0 r m i n ) 环境 运行和大容量、高效率及高功率密度运行等优点。该发电机气隙磁场和相磁链随转子 位置和绕组相电流而持续、周期性变化，没有传统电机的稳定磁路工作点，而是一个 动态三维磁空间。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢 合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了结构，提高了可靠性。 ( 6 ) 无刷双馈发电系统 系统如图1 3 所示，采用的发电机为无刷双馈发电机瞵- 9 1 。其定子有两套极数不同 的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接 电网。其转子为笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数 之和。这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷交流励 磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组。因此，尽管这两种发电机的运行机制有本质的 区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。 这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容 量外，还可在矢量控制策略下实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无 功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系 统运行的可靠性。本文将对该种电机的变速恒频方案作理论推导和仿真分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 n 公用电网 图1 3 无刷双馈发电系统 1 3 无刷双馈电机应用于速，匾频恒压发电 在变速恒频恒压发电领域，使用绕线转子异步电机作为发电机的交流励磁变速恒 频恒压发电系统得到广泛的应用，但是由于绕线转子电机仍然有滑环、电刷的存在， 使其不能适合运行在环境比较恶劣的环境。无刷双馈电机( b d f m ) 作为变速恒频发 电的特殊发电机，具有一般电机无法比拟的优势，主要表现为：所需变频器容量小， 对电网谐波污染小；无电刷和滑环，简单可靠；可以实现有功和无功的独立控制；调 速范围宽等。目前对b d f m 的研究工作主要涉及其电动运行方式，而对其发电运行 方式研究较少，因此有必要对b d f m 在变速恒频恒压发电方面的应用作进一步的深 入研究。 1 3 1 无刷双馈电机的发展历程 无刷双馈电机( b m s h l e s sd o u b l y f e dm a c n n e ，下文一律简称b d f m ) 作为近年 发展起来的一种新型交流调速电机，它由两套互相独立的定子绕组( 功率绕组和控制 绕组) 和特殊结构的转子组成，利用可逆变频器调节控制绕组的电源频率实现对 b d f m 的转速控制。b d f m 具有无电刷、结构简单坚固、变频器容量小、功率因素可 调、运动可靠等优点，是传统交、直流电机调速系统的强有力竞争者，在大型水泵、 风机调速和风力、小水电发电领域具有广阔的应用前景。 b d f m 由级联异步电动机发展而来。它是将两台绕线转子异步电机同轴串级连接 而构成的，如下图所示。b d f m 通过调节控制电机外加电阻值来改变电机的转差功率 大小，从而控制电机的转速变化。由于采用这种控制方法取消了电刷和集电环，并且 可以在一定范围内调速，所以引起了人们的广泛关注和研究。后来用可逆变频器代替 控制电机定子的外接电阻。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 图1 4 级联式无刷双馈电机 为了降低成本和提高运行性能h u n t 和c r e e d y 等人对单一机组串级电机进行了较 深入的研究，并取得了重大成果【l 。h u n t 发明的串级电机具有一套转子绕组和一套 有不同极数的定子绕组，并具有同一个磁路。后来c r e e d y 为之设计了精巧的定转子 绕组1 1 1 | ，使它可以在电阻控制的方式下获得高启动转矩和良好的速度控制，能够适用 于大转矩，低转速运行的场合。但是由于定转子绕组极数配合及绕组设计上的种种限 制，该电机未能进入实用。而且也由于电力电子器件发展的限制，该电机的发展一度 停滞。 7 0 年代，b r o a d w a y 等对h u n t 发明的电机进行了较大改进【lz | ，简化了转子绕组， 使之具有笼型转子的坚固性与可靠性，又能满足无刷双馈电机对转子磁场的要求，并 使定转子绕组极数配合的范围进一步扩大，将自串级无刷异步电机理论向前推进了一 大步，如下图所示。后来b r o a d w a y 又将相调制理论应用到极变换绕组中，从而使定 子绕组对称化，简化了定子绕组，使之可以通过对普通双层绕组经过适当的连接来得 到，为这种电机进入实用铺平了道路。 - i - 极对数b 图1 5b d f m 的典型结构 2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，国际上对无刷双馈电机的研究迅速铺开。无刷双馈 电机网络数学模型和两轴数学模型的建立【1 ) 。”j ，为无刷双馈电机的动态仿真和控制性 能上的优化提供了坚实的基础。各种控制方法被应用于无刷双馈电机，如标量控制、 磁场定向控制、直接转矩控s u ( d t c ) ，模型参数自适应控制等等。而电力电子器件和 微处理器的发展，如i g b t ，8 x c l 9 6 ，d s p 等，又进一步促进了无刷双馈电机的发展。 1 3 2 无刷双馈电机的研究现状 近年来，国内外对无刷双馈电机的研究可分为两大流派，一派主张采用磁阻转子结 构，而另一派则主张采用笼型短路绕组转子。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 以o r e g o n 州立大学的a k w a l l a c e 教授【j 6 和r s p e e 教授以及英国剑桥大学的 w i l l i a m s o n 教授等为代表，重点研究笼型转子结构的b d f m ，对鼠笼式转子各导条及 闭合环路在生成转矩时所起的作用进行了对比，得出了在极对数转换过程中转子导条 电流分布与定子极对数、控制绕组频率有关的结论。o r e g o n 州立大学研究的功率达 4 5 k w 的试验样机还投入到某废水处理厂实际运行。 以w i s c o n s i n 大学的t a l i p o 教授和o h i o , k l i 立大学的l x u 教授以及a e l b o r g 大 学r o b e r te b e t z 教授和m i l u t i o nj o v a n o v i c 教授为代表，重点研究磁阻转子结构的 b d f r m 电机，从电机定、转子的基本耦合参数入手，研究了b d f r m 的机电能量转 换机理，从电机的非线性和运行时磁场的分布关系来确定电机的设计原则，还给出了 样机的实验结果。同时详细分析了凸极磁阻转子结构、带磁隔离层的磁隙磁阻转子结 构和轴向叠片的各向异性a l a ( a x i a l l yl a m i n a t e da n i s o t r o p y ) 磁阻转子结构对定子磁 场进行调制时的特性，得出了a l a 磁阻转子结构调制特性最好的结论l l 7 。 德国、俄罗斯、法国等先进工业国家对双馈电机进行了广泛的研究，在工业领域 得到广泛应用，在某些应用领域显示出独特的技术优势。国外已有成功应用b d f m 实现风力发电的范例。德国、俄罗斯、法国、日本等先进工业国家也都对b d f m 进 行了广泛深入地研究，并在电气传动中得到应用。德国西门子、日本东芝和三菱公司、 俄罗斯哈尔科夫电机制造联合公司己能系列化生产大容量b d f m 。如俄罗斯哈尔科夫 公司生产的3 1 5 2 0 0 0 k w 系列的各种b d f m 及调速传动系统，已广泛应用在火电站及 其他部门的各种交流调速传动装置中。法国a l s t h o m 公司生产的双馈电机及调速传动 系统，其容量从2 5 0 k w 至数千千瓦，主要用于泵和风机调速。我国也引进了一些国 外成熟的b d f m 系统，如国内陈四楼煤矿引进的西门子b d f m 系统，其在矿井主通 风机上的应用取得了很好的节能效果i l 引。 国内无刷双馈电机的研究起步较晚，沈阳工业大学自2 0 世纪8 0 年代末最早开始 了这方面的研究，对电机的基本运行规律和发电机运行方式下的特性等进行了仿真分 析，取得了某些研究成果并曾获得1 9 9 5 年国家自然科学基金资助。国内的其他一些 高校和科研院所如浙江大学、西安交通大学、华南理工大学、重庆大学、湖南大学等 近年来也在着手b d f m 的研究工作，取得了一定的成就。除沈阳工业大学研究了磁 阻型转子无刷双馈电机外，其他高校都以笼型转子无刷双馈电机为研究对象，并且都 已做出了2 k w - 1 5 k w 的试验样机。华中科技大学根据“变极法”设计了绕线型转子绕 组，这种新型绕组利用其中两种不同极数如和p 。，对感应电势在理论上可以有不同 电回路的特点，对转子导体进行重复利用，从而有较高的利用率和低的谐波含量。但 总的来说与国外差距还较大，基本上都处于实验室研究阶段。 1 3 3 无刷双馈电机的控制策略 在控制策略方面，从2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，b d f m 动态数学模型和两轴 数学模型 1 3 - 1 5 j 的建立，为b d f m 的动态仿真和控制性能的优化提供了坚实的基础。 各种控制方法被用于b d f m ，如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数 自适应控甫l j t s , 1 7 , 1 9 2 7 等。 ( 1 ) 标量控制【2 l j ：采用静态等效电路，通过调节控制绕组的电压幅值以及频率， 即可实现对速度、转矩，功率因数的控制。其算法比较简单，容易在较低的微处理器 上实现，可以在一定程度上提高电机的性能，但其动态性能不高。 ( 2 ) 文献【2 3 】提出了基于一套绕组的估计磁链和转矩变化的直接转矩控制策略。 后来在直接转矩控锘口的基础上提出了一种模型自适应控制策略，使无刷双馈电机对负 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 载及电机参数的变化不敏感，达到最佳的工作特性。但是直接转矩控制的计算量较大， 需要采用高速的微处理器，因而成本较高。 ( 3 ) 在无刷双馈电机的同步模型基础上，采用了与普通感应电机类似的控制方 法实现了b d f m 转子磁链的定向控制，达到了良好的控制效果。文献 8 采用由坐标， 对b d f m 风力发电系统进行矢量控制，实现了对转矩、无功和有功的有效控制，但 还停留在仿真研究阶段，如文献 2 6 1 对b d f m 转子磁链定向矢量控制策略进行了仿真， 并得到了实验波形验证了控制策略的有效性。 ( 4 ) 功率绕组模糊功率因数控制策略，控制思想简单，硬件实现方便，但是该 控制策略存在电机反转现象，使得其应用场合受到了限制，仍处于仿真研究阶段【2 6 | 。 ( 5 ) 滑膜变结构控制、模糊自适应控制、最优控制和神经网络控制等智能控制， 目前还处于起步阶段，以理论研究为主，少见此类研究成果【l7 。 总之，b d f m 控制策略计算量大，硬件实现困难，运行过程中转子参数的变化仍 是影响控制准确性的一个问题，使得b d f m 控制只处于理论仿真和实验室实验阶段， 难以在实际中应用。 1 3 4 无刷双馈电机的研究意义 无刷双馈电机作为一种新型电机，由于它可以在无刷的情况下实现双馈，速度及 功率因数均可调节，既可同步运行又可异步运行，且变流装置功率容量小，减小了对 电网的污染，因此它必将在不久的将来，在中大容量调速系统和变速恒频发电系统中 获得广泛的应用，取得较大的经济和社会效益。 1 b d f m 在交流调速领域的应用 目前我国变频调速传动系统应用推广缓慢，主要是由于绝大部分变频调速装置是 从国外进口的，系统价格较高，收回投资时间周期长；对于大中容量的系统来说，变 频调速系统构造复杂，可靠性低，价格十分昂贵。因此，降低变频器容量从而降低整 个调速系统的成本成是在大范围推广变频调速节能技术的关键所在。 b d f m 调速传动系统将很好地解决上述问题l 2 ，b d f m 没有电刷和滑环，提高 了电机运行的可靠性，减小了维护的成本，而具有良好的起动与运行性能，并可方便 地实现异步、同步、双馈等多种运行方式。b d f m 用作调速时，主功率由与电网直接 相连的功率绕组提供，变频器只是给控制绕组提供转差功率，降低了调速系统成本。 且其功率因素可调，可以提高调速系统的效率，减少无功功率补偿装置的投资。在变 频器出现故障的情况下，无刷双馈电机可以作为普通异步电机运行，这对于那些绝对 不允许停机的场合十分重要。b d f m 用于风机、泵类调速时，对于节能降耗，提高经 济效益有巨大的现实意义。其必将在一定程度上取代传统电机 2 8 】。 2 b d f m 应用于变速恒频发电领域 b d f m 作为一种新型电机，它可在无刷的情况下实现能量双馈运行，而且速度和 功率因数可调。b d f m 作为交流励磁发电机时，功率绕组用于发电，控制绕组用作交 流励磁，根据原动机的转速范围变化调节励磁电流的频率便可实现变速恒频发电，通 过改变励磁电流的幅值和相位可以实现有功和无功功率的调节。b d f m 能变速运行， 使传统同步发电机系统恒速运行的刚性联接变为可变速运行的柔性联接，可以大大提 高发电系统的可靠性。同时，变频器只需给控制绕组提供转差功率，大大降低了变频 器的容量，减少了整体投资。此外，b d f m 解决了无刷化问题，除了无刷可靠外，该 类电机的另一个特点是兼有笼型、绕线式感应电机和电励磁同步电机的共同优点。通 过简单的改变控制绕组的联接与馈电方式，可以方便地实现自起动、异步和双馈等多 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 种运行方式，使其既具有良好的起动特性，又具有优良的运行性能。 我国风力资源丰富，小水电事业发展迅速，如果用b d f m 来代替现有的有刷变 速恒频电机或恒速恒频电机，发电机的变速运行可使系统运行在最佳工况，最大限度 获取水能和风能，提高整个系统的效率。因此，b d f m 在水力和风力发电中具有广阔 的应用前景。b d f m 不管是运行在电动状态还是运行在发电状态，都具有良好的性能， 将其用于抽水储能电站机组以取代绕线转子感应电机和同步电机，可以提高系统的运 行可靠性和运行效率。 1 3 5 无刷双馈电机存在的问题 b d f m 的运行主要存在着以下的几个问题1 2 州：谐波含量大；其功率密度低， 体积比一般的感应电机要大；单馈运行时存在着“转换转矩”点，如果电机的负载 转矩恰好在这个转换转矩附近变动，则电机运行不稳定，易造成事故； b d f m 的结 构复杂，发热量较普通感应电机大；开环运行时，不能有效地控制电机的功率因数； b d f m 数学模型复杂，具有优良动静态性能的控制策略和控制方法不够成熟。电机 的参数如电阻电感等易受外界的影响而改变，参数的变化和测定的正确与否直接影响 控制的成功实现。 综上所述，b d f m 作为一种新型电机，结构特殊，运行机理异于传统电机，在调 速节能和变速恒频发电等方面具有广阔的应用前景，但也存在许多需深入探讨的理论 与技术问题。目前，国内对b d f m 的研究主要还只是对电机的原理、性能以及电机 的建模方面进行一些理论研究，很少进入应用研究阶段。b d f m 调速系统和变速恒频 发电系统存在的关键技术未能得到很好的解决，为使b d f m 的研究尽快赶上国际水 平，并在我国得到应用与推广，有必要深入开展这方面的研究。 1 4 本文的主要工作 本论文以无刷双馈电机发电系统为研究对象，结合国内外的有关文献对无刷双馈 电机进行了广泛的研究，本文主要内容包括以下几个方面： 1 通过分析无刷双馈电机较普通交流异步电机的特殊结构，从而推导了无刷双馈 电机的基本方程，并建立了其等效电路，详细阐述了b d f m 的内部电磁过程，分析 了无刷双馈电机的几种不同运行模式，研究了无刷双馈电机在不同状态下的功率平衡 及能量流动关系。 2 推导和建立了b d f m 的数学模型，并根据无刷双馈电机的转子速砌数学模型， 通过m a t l a b s m u l i n k 建立了其仿真模型，对其各种运行状态的开环性能进行了仿真研 究，给出了系统仿真模型及结果，得到了开环状态下，电机异步、同步、双馈运行的 系统转速、转矩响应特性；并验证了电机模型和设计参数的准确性。 3 分析了无刷双馈电机的控制策略。提出了基于转子速砌坐标系的变速恒频无刷 双馈发电系统有功、无功功率控制策略，并对定子磁链定向功率解耦控制进行研究。 4 建立变速恒频无刷双馈发电系统各部分相应的s i m u l d 仿真模型，进行仿真 分析，验证了控制算法的有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o k 第2 章无刷双馈电机的基本理论 b d f m 实际上是一类交流励磁异步化同步电机，本文首先从交流电机基本理论出 发，给出了无刷双馈( 发) 电机的原理说明，包括内部电磁过程，转速、功率分析等； 针对无刷双馈电机中的转差率问题，从普通异步电机出发，推导并给出了其明确定义 和简单计算方法，统一了相应概念。现有的无刷双馈电机主要用于电动机运行方式， 对发电机运行方式研究较少，本文以交流电机基本理论和设计方法为基础，给出了无 刷双馈( 发) 电机的设计方法与过程，对一些关键设计问题给出了处理方法和建议。 2 1 无刷双馈电机的基本结构 b d f m 是由级联式( c a s c a d e ) 感应电机发展而来 3 0 j 。串级感应电机是将两台绕 线式异步电机同轴串级连接而获得的一种运行方式。这种方法首先在年由美国的 s t e i n m e t z 和德国的g o r g e s 所发现。后来h u n t 和w a l l a n c e 等人在此基础上提出在单 一铁心中安放两套定子绕组的无刷双馈电机模型。由于定子和转子结构采用了合理的 设计，使得两套定子绕组产生的磁场只能通过转子间接耦合同时转子磁场的极对数可 以自动转换，分别与定子磁场的极对数匹配，转子在这里起着定子两套绕组的极数转 换器作用。 u 矿 形 图2 1 无刷双馈电机的结构 无刷双馈电机的基本结构如图2 1 所示，定子侧有两套绕组，分别为功率绕组和 控制绕组。无刷双馈电机根据转子结构形式的不同分为有特殊笼形无刷双馈电机、磁 阻式无刷双馈电机和新型绕线式无刷双馈电机等，且笼式无刷双馈电机有向大功率容 量发展的趋势。下面就详细地分析无刷双馈电机的机械结构。 2 1 1 无刷双馈电机的定子结构 无刷双馈电机的定子铁心等内部结构与普通的异步电机没什么区别，可是无刷双 馈电机的定子绕组却与常规的异步电机有较大的差别，因为在该电机的定子铁心中存 在两套不同级数的三相绕组，一套称为功率绕组，另一套称为控制绕组。 定子绕组一般有单绕组和双绕组两种型式。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 单绕组形式，即从单一的定子绕组中引出两个端口，从不同的端口看进去时，绕 组应呈现不同的极数，分别为助口极和2 队极。这样单一的定子绕组同时起到了功率 绕组和控制绕组的作用。两种不同频率的电流同时注入不同的端口时，在电机内部形 成不同极数、不同转速的旋转磁场。 双绕组形式，即极数分别为2 如和2 阮的两套独立的三相对称绕组，这样两种极 数的绕组都能得到较充分的利用。当采用双绕组方案时，为避免三次谐波磁场在定子 绕组中产生环流，一般采用y 型接法。无刷双馈电机的双绕组方案示意图如图2 2 。 a b c 图2 2 无刷双馈电机定子双绕组结构 采用单绕组的好处是定子绕组的利用率高，铜耗相对小，但设计困难，不易得到 功率绕组和控制绕组两全其美的方案。双绕组虽然槽利用率略低，但设计容易，易于 获得两套绕组之间比较理想的耦合关系。 2 1 2 无刷双馈电机的转子结构 无刷双馈电机的转子同时耦合着不同极数的定子功率绕组和控制绕组，起到“极 数转换器”作用，这种作用的强弱直接影响电机的功率密度和运行性能。因此定子功 率绕组和控制绕组极对数与转子的配合就成为了b d f m 能量转换的关键。而这种调 制方式称为“极调制 3 1 l 。 当定子功率绕组和控制绕组的极对数分别为踟和p 。时，为了实现“极数转换器” 的作用，电机转子的极对数有两种选择，即 所2p p 及 ( 2 - 1 ) 当p ，钠。时称为和调制，当p r = p p w 。时，称为差调制。显然，“和调制”的等效 极数较多，电机转速较低；而“差调制”的等效极数较少，电机转速较高。采用“差 调制”时，两种极数的定子绕组电流产生的电磁转转矩方向相反，电