（电力电子与电力传动专业论文）定子双绕组感应发电系统的研究.pdf

塞至翌堑丝壁查垄皇墨鉴塑堕茎 a 。b s t r a c t b e c a u s eo fs i m p l es t r u c t u r e ，f i r m n e s s ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dp o w e rd e n s i t y , l o wc o s t ，g o o dp e r f o r m a n c eo fo v e r l o a da n ds h o r tc i r c u i t ，i n d u c t i o nm a c h i n e s w i t hs q u i r r e l c a g er o t o rw e r eu s e di na l lk i n d so f f i e l d s b u ti n d u c t i o ng e n e r a t o r s w e r eh a r d l yu s e db e c a u s eo ft h e i rc o m p l i c a t e dc o n t r o l ，f e wc o n t r o lm e t h o d sa n d i n a d e q u a t ei d e a lo u t p u t e l e c t r i cq u a l i t y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，c o n t r o lt h e o r ya n d m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y , i t i s p o s s i b l e t h a ti n d u c t i o n g e n e r a t o r sg e n e r a t e h j g h q u a l i t y e l e c t r i c e n e r g y s o t h e r e s e a r c h e so n g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y o f i n d u c t i o n g e n e r a t o r sg r a d u a l l y b e c o m ea p o ps u b j e c t i nt h ew o r l d i nt h i s b a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rs t u d i e san e wt y p eo fs q u i r r e l c a g ei n d u c t i o ng e n e r a t o r s y s t e m ，d u a ls t a t o r - w i n d i n gi n d u c t i o ng e n e r a t o rs y s t e m f i r s t l y ，t h e u n i v e r s a ls i m u l a t i o nm o d e lo fd u a ls t a t o r - w i n d i n gi n d u c t i o n g e n e r a t o rs y s t e mi s e s t a b l i s h e db ym a t l a b s e c o n d l y , t h ew o r kp r i n c i p l eo f d u a ls t a t o r - w i n d i n gi n d u c t i o ng e n e r a t o rs y s t e m t h ec o m m a n d i n gp r i n c i p l eo ft h e s y s t e m sr e a c t i v ep o w e ri nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s ，t h ef a c t o r so fi n f l u e n c i n g t w os e t so fs t a t o rw i n d i n g s r a t i oo fc a p a b i l i t i e sa n dt h er e s e a r c h e so np r a c t i c a l a p p l i c a t i o no f d u a ls t a t o r - w i n d i n gg e n e r a t o rs y s t e ma r ea n a l y z e di nd e t a i l f i n a l l y , a i m e da tt h ew o r kc o n d i t i o no fw i d er o t o r s p e e da n do p t i m i z a t i o no fs t a t i c r e a c t i v ep o w e rg e n e r a t o r sv o l u m e ，t h ep e r f o r m a n c eo fd y n a m i cs t a t ea n ds t a t i c s t a t ea n do p t i m a lc o n t r o lo f h i g h v o l t a g ed cg e n e r a t o rs y s t e mb a s e do nd u a l s t a t o r - w i n d i n gi n d u c t i o ng e n e r a t o r , a r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h e s er e s e a r c h e sn o t o n l ya c h i e v et h ew o r kc h a r a c t e r i s t i co fd u a ls t a t o r - w i n d i n gi n d u c t i o ng e n e r a t o r s y s t e m ，b u ta l s os e tu pt h ef o u n d a t i o no fo p t i m a ld e s i g no fd u a ls t a t o r - w i n d i n g i n d u c t i o ng e n e r a t o ra n de n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o no fd u a ls t a t o r w i n d i n gi n d u c t i o n g e n e r a t o rs y s t e m b e s i d e s ，h i g h s p e e da n du n i v e r s a ld i g i t a l c o n t r o lp l a t f o r mb a s e do nt i s t m s 3 2 0 f 2 812d s p , i sd e s i g n e da n dd e b u g g e d t h i sp r o v i d e sh a r d w a r e p l a t f o r m 南京航空航天大学硕士学位论文 p r e p a r a t i v ef o rf u t u r ee x p e r i m e n t so f t h ed u a ls t a t o r - w i n d i n gi n d u c t i o ng e n e r a t o r s y s t e m i nt h es a m et i m e ，t h i sh a r d w a r ep l a t f o r mw i l lu p d a t eh a r d w a r ef a c i l i t i e s i no u rl a bt oi m p r o v ec o n t r o l p e r f o r m a n c e o fa l ls o r t so fm o t o r s t h i s s u b j e c t i s s u p p o r t e db yn s f c ( n o 5 0 1 7 7 0 1 4 ) ，a s f c ( n o 0 4 f 5 2 0 3 9 ) a n dd e l t ae d u c t i o n d e v e l o p m e n tf o u n d a t i o n k e y w o r d s ：d u a ls t a t o r - w i n d i n gi n d u c t i o n g e n e r a t o r , h i g h - v o l t a g ed cs y s t e m s y s t e mm o d e l ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，d i g i t a lc o n t r o l ，i n t e r f a c ed e s i g n 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文i 是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 定子双绕组感应发电系统的研究 一、基本符号和意义： 基本符号 e u 0 ) z ( i ) a c f 上 w d 盯 t 矿 r y 口 y ， 意义 感应电动势 端电压 电流 角度 电容 频率 电感 角频率 直轴 交轴 磁链 电阻 直流端电压 角度 角度 虚数符号 二、下标符号和意义： 下标符号 r 0 c 意义 转子或剩余 空载 电容 注释表 基本符号 j x z 置 丁 拧 p 三r 4 r 豫 l w w ”矿 f 即s 下标符号 m f p 意义 转差率 电抗 阻抗 比例 功率开关管 转速 极对数 读头周期 读有效周期 读尾周期 写头周期 写有效周期 写尾周期 时间 外部等待周期 意义 激磁 漏 电磁 南京航空航天大学硕士学位论文 下标符号 s l i p s b a s e d 8 p c 意义 滑差 定子或同步 基 静止两相坐标横轴 静止两相坐标纵轴 功率绕组 控制绕组 三、上标符号和意义： 上标符号意义 度 给定值 空间矢量 下标符号 d 0 c 三 矿 d 上标符号 一1 意义 三相坐标轴中的一相 三相坐标轴中的一相 三相坐标轴中的一相 负载 容量 额定值 直轴或延迟 意义 逆 时间矢量 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 鼠笼型感应电机自诞生以来就以其结构简单、坚固、适合高速运行、可 靠性高、成本低等优点被入们广泛应用于各个领域。 早期的感应电机主要做电动机使用。这是由于感应电机在发电运行时励 磁困难，特别是在负载和转速发生变化时，为维持发电机输出端电压的幅值 和频率恒定不变需要为其提供变化的无功功率。因此对于早期电容器组激励 的感应发电机系统来说需要频繁地切换励磁电容，其价格和体积都是相当可 观的，而且输出的电能品质较差，这是导致感应发电机没有被广泛使用的直 接原因，而仅在偏远的农村和山区在无同步发电机的情况下作小功率独立交 流电源使用i l l 。 近年来，随着电力电子技术、控制理论和处理器技术的飞速发展，使得 电力电子变换器控制的感应发电机输出商品质的电能成为了可能。因此，感 应电机的发电技术研究也正成为当今国际上的一个热门研究课题。1 9 9 7 t 9 9 8 年，美国n a s a l e w i s ( 美国宇宙航空航天研究中心) 和w i s c o n s i n 大学的知名 教授l i p o 在i e e e 杂志和会议上连续发表文章，推荐感应电机发电系统【2 4 】： 2 0 0 3 年在i e e e 能量变换杂志( t r a n s a c t i o no ne n e r g yc o n v e r s i o n ) 上发表了 一篇很奇特的论文【5 l 。该文章未做任何研究工作，只是将收集到的2 5 7 篇有 关感应电机发电的文献分成若干类，组成一篇文献资料荟萃而发表。这种奇 特的现象给人们一个明确的信号就是感应电机用于发电场合是非常值得关注 和研究的课题。而这个课题在国际上现还处于技术准备和零星研究的阶段， 因此对感应电机发电技术的研究将是一件意义深远的事情1 1 2 感应电机发电技术概况 1 2 1 电容器组激励型传统癌应发电系统 定子双绕组感应发电系统的研究 鼠笼型感应电机不像同步电机那样带有单独的励磁绕组，因此在作独立 电源应用时首先要解决的是自励问题。早期感应发电机的自励就是采用如图 1 1 ( a ) 所示的方法。发电机的输出端并接适当的电容器组使感应发电机能 输出容性无功电流，给发电机励磁。 【aj ( b ) 图1 1 电窖器组自励的感应发电机电路及自励过程 其自励过程如图1 i ( b ) 所示。感应发电机在最初的剩磁电势e ，作用下， 在电容c 上产生电流l 。发电机内部的磁场如图i 1 ( b ) 的虚线逐步加强而 建压。被建立的空载电势e 的大小取决于发电机空载特性曲线和电容线的交 点位置。当发电机的转速一定时，空载特性是确定的，电容线的斜率则与电 容量有关，即： 留瓯2e 。i 。i ( 6 习r c ) ( 卜i ) ( 式中c 为每相电容量) 当发电机定子绕组y 形连接，而自励电容器组如图1 1 ( a ) 为形连接 时，对于一定要求的空载相电势瓦，则可按所需的励磁相电流l 来计算电容 值c 为： ， c 2 上6 力e(卜2)o 从上面的分析可以知道，感应发电机的励磁电流需要外部的电容器组来 提供。当感应发电机的转速和负载发生变化时，为维持系统的稳定运行，发 重塞堕至塾墨查兰堡主堂焦堡苎 电机系统所需的励磁电流也发生变化，因此必须通过调节电容值c 才能保持 发电机输出端电压的幅值和频率的恒定不变，否则将会造成两者大幅度地变 化，更严重的会导致系统发电失败。而连续改变电容值又是不切实际的事， 因此电容器组自励的感应发电系统输出电能的品质较差。针对以上问题，有 人提出在负载端并接l c 或可调电感，并加以适当的控制使其等效为一可变 电容，从而可根据转速和负载的变化提供可变的激磁无功功率悼j 。但实际中 控制所需电感的体积和重量都限制了此方案的应用范围。 1 2 2 电力电子变换器激励型传统感应发电系统 随着电力电子器件和技术的发展， 变换器可以产生连续可调的无功功率， 利用可开关功率器件组成的电力电子 因此电力电子变换器与感应发电机相 结合的发电技术褥到了迅速的发展。1 9 7 4 年，g h s t u d t m a n n 首次将电力电 子功率变换器用于变转速感应电机的发电控制并获得了专利7 1 。此后，世界 上的许多学者对电力电子变换器激励型感应电机发电系统进行了各方面的研 究，并取得了大量的成果。根据感应发电机、变换器和负载的连接关系将其 分为串联结构形式和并联结构形式加以分类介绍。 1 2 2 1 串联结构形式的传统感应发电系统 串联结构形式的感应发电系统中感应发电机、电力电子变换器和负载串 联连接。其中电力电子变换器对系统有功功率和无功功率同时进行控制，因 此其动态性能一般要优于并联结构形式，但无疑增大了变换器的容量和体积。 从查阅的文献中可以看出，串联结构形式的连接拓扑大致相同，所不同 的是采取的控制策略。 叫厂控制技术以图1 2 为例【8 】。当感应发电机的输出功率与负载消耗功 率不平衡时，将引起输出端电压的变化。系统输出端电压的给定值与实际值 的偏差经调节后得到感应发电机的转差速度给定值w 。，感应发电机的转 子转速w ，减去得到同步角速度w ，w 即作为p w m 变换器正弦调制波的 频率，而感应发电机转子转速与其基速的比值w w 。决定正弦调制波的幅 值。采用上面产生的正弦调制波与三角载波交截生成s p w m 信号控制p w m 变换器的开关管。如此控制使得感应发电机的磁场转速落后于转子转速一定 的转差，实现系统的稳定运行。该论文建立了逆变器等效模型以及系统的稳 3 态等效电路，推导了系统的等效关系式，并分析了感应发电机的参数、负载、 激磁特性、转差率与输出电压的关系，但所有这些均是在稳态的前提下得出 的。而s n b h a d r a 等人则建立了串联结构感应发电系统的暂态模型，并对系 统的暂态过程做了详细分析，得出了直流侧电容c 的大小对暂态过程的影响 以及系统顺利建压的最小电容值确定等问题 9 】。 图1 2v l f 控制技术原理 图1 3 感应发电机转子磁场定向控制框图 感应发电机磁场定向的矢量控制技术分为转子磁场定向和定子磁场定向 两种。图1 3 则是感应发电机的转子磁场定向策略框图【1 0 】。系统捡测感应发 电机转速和定子电流由转子磁链观测器求得转子磁链的幅值和相角。在旋转 坐标系中，根据转速大小决定的转子磁链幅值的给定值与观测值之差经竹调 节得到定子电流无功分量的给定值；而系统输出直流电压的给定值与实际检 测值的偏差经肼调节得到定予电流有功分量给定值的一部分，另一部分则由 对其负载、逆变器及其所驱动的电机所需功率估算而来( f 。) ，这两部分之 4 南京航空航天大学硕士学位论文 和即为定子电流有功分量的给定值。这两个正交分量的电流给定值经过坐标 旋转变换和2 3 静止坐标变换后得到感应发电机的三相定子电流给定值a 同 时系统检测定子三相电流以电流跟踪的方式生成i g b t 三相桥的p w m 控制 信号。1 9 9 5 年，j o h ng e o r g e 等人发表论文【1 1 】则介绍了感应发电机采用定子 磁场定向控制技术的方案，并取得了在风力发电中的应用专利。对于这两种 磁场定向控制策略，完全可以参照感应电动机的矢量控制原理去加以理解。 2 0 0 2 年，南京航空航天大学航空电源科技重点实验室的黄文新博士在基 于感应电动机直接转矩控制理论的基础上创造性地提出了鼠笼型感应发电机 的瞬时转矩控制策略。该理论在2 2 足的地面样机上得到了很好的实验验 证，其突加突卸负载时系统输出电压的稳定时间约为2 0 m s ，小于美军标所 规定的4 0 m s i t 2 】。该课题获得了国家自然科学基金、航空重点基金和高校博 士点专项科研基金的资助，现正得到装甲兵“十五”预研课题的支持。 1 2 2 2 并联结构形式的传统感应发电系统 并联结构形式的感应发电系统中感应发电机、电力电子变换器和负载并 联连接。其中电力电子变换器的作用是连续调节系统的激磁无功来使感应发 电机的输出端电压稳定。 图1 4 变转速感应发电机转子磁场定向控制策略系统框图 图1 4 是用电容器组和转子磁场定向控制的电力电子交换器共同来调节 感应发电机的激磁无功。该系统可以在宽转速和负载变化范围时调节输出端 塞主翌堡垒壁鏖垄皇至堑塑塑茎 一一 电压的稳定，并使变换器的容量得到优化，但该系统输出的是恒压变频的交 流电。e r i e sg o n e a l v e sm a r r a 等人则介绍了一种用在水力发电领域的并联 结构感应发电系统，该系统也是采用电容器组和电力电子交换器共同激磁a 由于水轮机的转速变化范围较窄，因此在保证系统效率的基础上通过变换器 的调节使系统的输出为恒压恒频的交流电。为了维持系统的稳定运行，在变 换器的直流侧连接了一个大电容和一个由迟滞开关控制的电阻支路。其作用 是通过改变电阻上吸收能量的多少来控制系统输出端电压的恒定。同样对于 非线性负载如整流负载或电动机感性负载，论文给出的输出电压波形也很理 想【l 4 1 。 图1 5 感应发电机定子磁场定向控制策略框图 图1 5 采用的是感应发电机定子磁场定向控制技术。系统中参考电流的 无功分量由定子磁链观测器观测到的定子磁链幅值与给定值的偏差经调 节器调节后得到；参考电流的有功分量则由变换器直流侧的母线电压给定值 与实测值的偏差经调节器调节后得到。系统采用电流跟踪方式来产生开关 信号控制变换器功率开关管的动作。该论文表明，采用定子磁场定向控制技 术的感应发电系统具有稳定运行速度范围宽、有效的恒磁通运行、线电流谐 波和损耗小等优点瞰l 。1 9 9 5 年，l y r a ，r o 。c 等人发表论文介绍了直接定子磁 场定向控制和间接定子磁场定向控制的感应发电系统。其中直接定子磁场定 南京航空航天大学硕士学位论文 向控制方案与图1 5 原理相同，其定子磁链的幅值和相角是通过l u e n b e r g e r 磁链观测器得到的。而间接定子磁场定向控制不需要定子磁链观测器，主要 是根据定子电压矢量和定子磁链近似正交的特性，系统直轴电流分量给定值 为常数，交轴电流分量给定值由变换器直流侧的母线电压给定值与实测值的 偏差经肼调节器调节后得到。间接定子磁场定向控制结构简单，实现方便， 但对于变化的感性负载下，直接定子磁场定向控制更好。因为直接定子磁场 定向控制鲁棒性好，可以在较宽的转速范围内稳定运行，适用于风力发电等 变速范围大的场合i l “。 磁场定向控制尽管调压性能优良、效率高，但它们一般需要配置测量转 速的位置传感器，费用高，可靠性差。为了克服这个缺点，r o b e r t ol e i d h o l d 等人采用电容器组与电力电子交换器共同激磁的感应发电系统。控制策略采 用瞬时无功功率理论，因此不需要转速信息。实验样机表明该系统可以在转 速与负载均变化的时候保持输出稳定的端电压，同时由于电容器组的投入优 化了变换器的容量【l ”。 综之，不论是串联结构形式的传统感应发电系统还是并联结构形式的传 统感应发电系统，其电力电子变换器均与负载在电气上相连接，因此由变换 器开关动作引起的高频谐波将直接进入负载端输出而影响电能品质的提高。 而且，串联结构形式的传统感应发电系统由于变换器对系统的有功功率和无 功功率同时进行控制，因此变换器的容量体积较大；而并联结构形式的传统 感应发电系统虽然变换器只控制系统的激磁无功，其容量体积较小，但此结 构的系统在变换器的交流输出端需要连接隔离滤波电感，这同样增加了系统 的体积和重量。 1 2 3 新型定子双绕组感应发电系统 上世纪2 0 年代后期，为了切断断路器和电抗器以限制同步发电机故障 电流的需要，决定了同步发电机单机的容量不能过大，这就影响了大型同步 发电机单机容量的进一步提高。此时工程设计人员不得不转向设计双绕组同 步发电机来提高整机的容量而同时使故障电流的切断能力得到缓解l 临1 。受到 定子双绕组同步发电机设计思想的启发，学者们也在传统鼠笼型感应电机的 定子上安装两套绕组，这就是定子双绕组感应电机。此后，世界上许多科研 工作者对定子双绕组感应电机( 作电动机使用) 的数学建模、本体设计以及 7 定子双绕组感应发电系统的研究 调速控制等方面进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果【1 9 。2 “。但对于定子 双绕组感应电机作发电机应用直到2 0 0 0 年才有人开始研究。 2 0 0 0 年，o l o r u n f c m io j o 等人发表论文提出了一种新颖的p w m - - v s i 逆变器控制的独立定子双绕组鼠笼型感应发电机【2 ”。其定子上一套绕组为功 率绕组，直接与负载相连；另一套绕组为控制绕组，直接与电力电子变换器 相连用来调节功率绕组输出端电压的稳定。这两套绕组的极数相同，且具有 3 0 。的相位移；同时它们在电气上没有连接，而是通过磁场藕合的，因此可 以减小由于变换器开关动作引起的高频谐波对功率绕组的影响，提高系统的 电磁兼容能力和效率。 a 】b ) 图1 6p w m v s l 辅助激磁的定子双绕组感应发电系统 图1 6 为该论文提出的两种控制方案。两者的不同之处在于其系统有功 功率的缓冲环节：( a ) 图是利用蓄电池的充放电使系统能在变转速和变负载 的情况下稳定运行；( b ) 图则是通过增加一个功率电阻和迟滞开关组成的泄 放回路来代替( a ) 图中的蓄电池。对于( b ) 方案，要使系统稳定运行必须 使用两个闭环控制，而且当负载需求的有功功率大于原动机输入的有功功率 时系统输出端电压将下降，严重时甚至啦现系统崩溃。而( a ) 方案鼬只需一 个闭环控制回路，而且系统甚至能在较短的时问内运行于电动状态，因为蓄 电池的能量可以传递给负载。通过比较可以知道，( a ) 方案比( b ) 方案更能 使系统有效地稳定运行。同一年，o l o r u n f e m io j o 等人又发表论文介绍了四 开关变换器蓄电池控制的定子双绕组感应发电系统。其系统结构仅是在 图1 6 ( a ) 的基础上以两个级联的电容来代替变换器的第三个桥臂，并使蓄 电池与这两个电容的任一个并联工作。这种控制方案节省了功率开关器件， 提高了系统的可靠性【2 钔。但是o l o r u n f c m io j o 等人所做的研究是建立在定子 童室堕窒堕鲞奎堂堡圭兰焦丝苎 双绕组感应发电系统作恒压恒频交流独立电源使用的场合。当系统工作在变 转速和变负载的情况下，为使系统能向外提供恒压恒频的交流电，系统中的 电力电子变换器必定会通过部分的有功功率，这样无疑增大其容量和体积。 因此该定子双绕组感应发电机交流发电系统只能应用在中小功率和转速变化 不大的场合。 国内，2 0 0 3 年马伟明院士首次对定子双绕组感应发电系统进行研究。其 学生傅玉第一次发表论文采用变频控制的思想把定子双绕组感应发电系统应 用于高压直流场合【2 9 l 。 图1 7 采用变频控制的定子双绕组感应发电系统 图1 7 是该论文的系统控制框图。其控制绕组变换器的直流侧接蓄电池 供电，因此不需要控制其母线电压。该系统的控制思想是先利用电容器组进 行自励，直到感应发电机功率绕组的输出端电压上升到设定值范围之内时使 控制绕组的交换器投入工作。当功率绕组整流后的直流电压大予参考值时通 过调节器增大p w m 的调制频率来增大发电机磁场的同步频率，反之则减 小调制频率。而控制过程中p w m 的调制比保持不变。这样就通过电容器组 和变换器共同激励来维持定子双绕组感应发电系统的稳定运行。在同一年中， 马伟明院士的不同学生在不同期刊上发表了关于这种作高压直流用的定子双 绕组感应发电系统的多篇论文【3 0 3 ”。在这些文章中主要讨论该系统的励磁控 制策略问题。与第一篇文章控制策略的不同之处在于后来凡篇文章均采用双 环控制，即控制绕组端的变换器的直流侧仅连接一个大电容，为维持此电容 两端电压的恒定系统又加入了一个闲环。这几篇文章就是在双环控制的旋转 坐标变换的坐标轴定向问题上讨论不同的实现方法，实质大同小异。而系统 定子双绕组感应发电系统的研究 的励磁原理则与第一篇文章相同，即都先采用电容器组自励，后使用电容器 组和变换器共同激励的方法。而且，在上述关于定子双绕组感应发电系统作 高压直流独立电源的文献中，研究的系统都是在固定转速的工作条件下采用 自励电容器组和电力电子变换器共同激磁的方式。其优点是电容器组能提供 系统大部分的励磁无功，这样变换器的容量体积就可以变小。但如果当系统 转速大范围变化而自励电容值不变的情况下，电容容抗的变化范围也很大， 那么导致变换器要担负更大的无功容量调节。而且这些文章只是仅限于对定 予双绕组感应发电系统控制策略的原理性进行研究，对于定予双绕组感应发 电机的本体设计、宽转速范围下的系统无功需求规律、以及为减小控制绕组 的容量而对发电机本体参数和控制参数的优化和系统的暂态过程没有进行研 究。 1 3 高速通用的电机数字控制平台 随着控制理论的深入研究，交流电机的控制性能得到了大幅度地提高， 甚至可以达到与直流电机相媲美的性能。但优异的控制理论需要相应高性能 的数字控制平台与之相配合。上个世纪8 0 年代，美国t i 公司成功研制了第 一片数字信号处理器d s p ，从此为交流电机控制技术的发展提供了工程实现 的广阔天地。 t m s 3 2 0 c 3 x 系列是t i 公司第三代d s p ，它属于浮点系列，具有较强的 运算能力和计算精度。但它不是电机控制专用芯片，因此电机控制所需的外 设均需要单独配置，增加了控制系统设计的复杂性和难度 3 4 】。直到t i 公司 开发了针对电机控制的t m s 3 2 0 c 2 4 x 子系列d s p ，常用的有t m s 3 2 0 f 2 4 0 ， 最高工作频率为2 0 m h z 。它把电机控制所需的外设功能电路都集成在芯片 中，使得控制系统的设计过程更简单，外围电路更简洁，从而也相应地提高 了系统的可靠性。这一系列d s p 的推出受到了用户的极大欢迎，科研工作者 们也把该系列d s p 用于各种类型的交流电机控制系统中【3 5 - 37 1 。几年后，t i 公司又推出了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 子系列d s p ，常见的有t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，最高 工作频率为4 0 m h z 。该系列和t m s 3 2 0 c 2 4 x 相比的最大特色是芯片的内部 资源更加丰富，工作频率更高。由于性能更加优越，因此当t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 一推出就受到了广大科研工作者的青睐 3 s - 4 1 。为了得到更快的运算 南京航空航天大学硕士学位论文 能力和更优的性能，科研人员也考虑设计双d s p 或多d s p 控制系统。何明 星等人发表论文采用t m s 3 2 0 f 2 4 3 和t m s 3 2 0 c 3 2 双d s p 控制系统用于牵引 电机的控制 4 2 1 。我实验室的林利华同学也设计了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和 t m s 3 2 0 v c 3 3 组成的双d s p 通用电机控制平台，取得了很好的效果1 4 “。 综上可知，高性能的d s p 不仅是制造商推陈出新的目标，同时也是电机 控制研究人员不断期盼的硬件基础。2 0 0 4 年5 月份，t i 公司又推出了其最新 的电机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 x 子系列。其高达1 5 0 m h z 工作频率， 1 8 k 1 6 的片内r a m ，9 0 以上的c ，c + + 执行效率和支持硬件实时调试的功 能都极大地吸引了电机控制领域众多科研工作者的眼球。正是在此基础上， 我实验组也提出设计基于t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 高速通用的电机数字控制平台 的要求，以改善实验组的控制硬件平台设施，期望达到提高相关课题控制策 略性能的目的，当然也包括定子双绕组感应发电系统的实验研究。 1 4 本文的主要研究内容及意义 本文的主要研究内容和意义如下： 1 本文选择定子双绕组感应发电系统在宽转速范围下的特性作为研究 对象。定子双绕组感应发电机由于其独特的结构使得感应发电系统的 广泛应用成为了可能。但国内外对定子双绕组感应发电系统在宽转速 范围下的性能研究还是一片空白，因此本文在此基础上对定子双绕组 感应发电系统在宽转速范围和变负载的工作条件下系统的无功需求 规律，决定两套绕组容量比的系统参数和作高压直流独立电源用的系 统动静态性能进行了仿真研究，最后针对尽可能减小控制绕组侧电力 电子变换器( 无功发生器) 的容量和体积进行了系统优化。因此这部 分的研究工作对感应发电技术的发展以及推广感应发电系统在各领 域的应用都具有重要的意义1 2 本文以t i 公司刚推出的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为核心处理器，构建和 设计了高速通用的电机数字控制平台，为定子双绕组感应发电系统的 实验研究作好硬件准备。 本文的各章节内容安排如下：第一章绪论部分，介绍传统感应发电技术 的发展历史以及定子双绕组感应发电系统的发展现状，对电机数字控制平台 定子双绕组感应发电系统的研究 进行了概括，最后指出本课题的研究内容和意义。第二章定子双绕组感应发 电系统的仿真模型，详细介绍了在m a t l a b 软件的s i m u l i n k p s b 环境下进 行定子双绕组感应发电系统仿真模型的建立，并通过一个实例来验证模型建 立的正确性。第三章定子双绕组感应发电系统仿真研究，仿真分析了定子双 绕组感应发电系统的工作原理，系统在变转速和变负载情况下的容量分析和 决定两套绕组容量比的因素，最后提出了系统优化的措施以验证该系统实际 应用的可能。第四章基于d s pf 2 8 1 2 的主控制系统设计，详细介绍了主控制 系统的设计原理和实现方法，重点则放在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 与外部r a m 以 及d a c 的时序配合上。第五章外围辅助电路和功率主电路，简要介绍了控 制平台的外围辅助电路以及功率主电路的设计原理和实现方法，该部分是专 门针对定子双绕组感应发电系统的研究而设计的。第六章t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p c 语言编程，介绍了c c + + 语言下头文件、命令文件的编写，同时简要说明 了i q m a t h 库的调用方法。第七章c + + b u i l d e r 与m a t l a b s i m u l i n k 的接口， 利用c + + 和m a t l a b 语言混合编程的方法为s i m u l i n k 程序开发通用、友好 的用户界面。第八章总结与展望，将本文的工作进行全文总结并提出下步 需完善的研究方向。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章定子双绕组感应发电系统的仿真模型 2 1 引言 本章的工作是在m a t l a b 软件的平台上，利用s f u n c t i o n 来建立定子 双绕组感应发电机的s i m u l i n k 核心模型，进而利用p o w e rs y s t e m sb l o c k s e t 工具箱把核心模型转换为p s b 模型，以利于与外部电气元件直接相连。 2 2 h a t l a b 软件简介 m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 软件是一个高集成度的系统，具有极高的编 程效率。s i m u l i n k 是m a t l a b 产品中的图象化建模工具，主要用于系统级的 设计和仿真，同时也可用于算法的开发。利用m a t l a b s i m u l i n k 工具，用 户可以很快地搭建自己的模型和系统。正由于这些优点，m a t l a b 受到世界 上绝大部分科研工作者的青睐。 但s i m u l i n k 属于数字模型系统，不能直接进行电路仿真，所以也就难以 实现电路、电机和控制的混合系统仿真。直到1 9 9 8 年，m 心l a b 5 2 中开始 提供电力系统模块库p o w e rs y s t e m sb l o c k s e t ( 以下简称为p s b ) ，数模混合 仿真才得到了鼹决【4 ”。p s b 提供了七大类上百种电气元件的模型，包括功率 电子元件和多种电机模型等。 2 2 1 s - f u n c t i o n 概述 s - f u n c t i o n ( 系统函数) 是对一个动态系统的计算机程序语言描述，它为 参数化和扩展s i m u l i n k 的能力提供了一种强大的机制。 s i m u l i n k 支持两种产生s - f u n c d o n 的标准。标准提供有限的s i m u l i n k 用户模块接口，它主要被用来兼容以前的s i m u l i n k 版本。相比之下，标准二 提供了完全的s i m u l i n k 用户模块接口，它主要用在当前或今后的s i m u l i n k 版 本中。 l3 定子双绕组感应发电系统的研究 s f u n c t i o n 可以使用m a t l a b 、c 、c + + 、a d a 或者f o r t r a n 语言编写a 用c 、c + + 、a d a 或者f o r t r a n 语言写成的函数需要用m e x 工具编译成m e x 文件，当模型中存在具有相同名字的cm e x 文件和m 文件时，s - f u n c t i o n 优先使用cm e x 文件。与其他的m e x 文件一样，它们是在需要的时候被动 态地链接进m a t l a b 。s - f u n c t i o n 使用一种特殊的调用语法，通过它可以与 o d e 求解器进行交互。这种交互同求解器与s i m u l i n k 内建模块之间的交互非 常相似。 s - f u n c t i o n 的形式非常齐全，它包括连续、离散和混合系统。因此，几 乎所有的s i m u l i n k 模型都可以描述为s f u n c t i o n 。 s - f u n c t i o n 最通常的用法是创建一个定制的s i m u l i n k 模块，可以在许多 应用程序中使用s - f u n c t i o n ，其中包括： 1 ) 在s i m u l i n k 中加进新的通用模块； 2 ) 将已存在的c 代码合并入一个仿真中； 3 ) 将一个系统描述为一系列的数学方程； 4 ) 使用图形动画。 使用s f u n c t i o n 的一个优点是可以创建一个通用的模块，在模型中可以 多次使用它，使用时只要改变它的参数值即可。所以本文中对于6 变量微分 方程组的定子双绕组感应发电机的通用s i m u l i n k 核模型采用两个s f u n c t i o n 来搭建，这样使得模型的建立非常简单，同时也使得输入和输出关系直观清 晰，便于阅读和修改。 2 2 2p s b 溉述 s i m u l i n k 中使用的电力系统仿真模块集p s b ( p o w e rs y s t e m sb l o c k s e t ) 主要由加拿大的h y d r o q u 6 b e c 和t e c s i mi n t e r n a t i o n a l 公司共同开发的，其 功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程 的仿真。它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，但其仿真原理还 是与s i m u l i n k 的方法相同。即当p s b 模型建立完成后，m a t l a b 自动进行 预处理。首先由p s b 的内部程序p o w e r 2 s y s 进行电路拓扑分析和电气参数的 获取，分配结点号，把电路划分为线性和非线性的两部分。其次p s b 中的另 一个内部程序c i r c 2 s y s 则对线性部分电路建立状态空间模型，并进行初始化 稳态计算，然后再由p o w e r 2 s y s 对非线性部分电路进行建模。当预处理结柬 南京航空航天大学硕士学位论文 后，p s b 模型就转化成了s i m u l i n k 能处理的结构，接下来m a t l a b 就直接 调用仿真了。 建立自己的p s b 模型的关键问题是解决p s b 与s i m u l i n k 之问的信号接 口问题。在p s b 中提供了两类模块可以进行这两个系统之间的信号转换：一 类是电压、电流测量模块，可以将p s b 模型中的电压、电流电气信号转换成 s i m u l i n k 中不表示任何物理意义的数值量；另一类是受控电压源和受控电流 源，它们可将s i m u l i n k 的数值信号转换为p s b 中的电气信号。信号接口转换 原理如图2 1 所示。 本文中以下部分建立的定子双绕组感应发电机的p s b 模型就是在 s i m u l i n k 核心模型的基础上，采用上述的方法进行s i m u l i n k 到p s b 的信号接 口转换。这样，转换后的定子双绕组感应发电机的p s b 端口就可以直接与 p s b 工具箱中的功率电子元器件直接相连了，为下一步整个发电系统的建模 提供了方便a 关于m a t l a b 中p s b 模型建立的情况，在本章的第三部分将 给出详细的方法。 一嘶r e n t 沁o r v o # l tg 。卜 p o w e r s i m u l i n k s y s t e m 一c 。o 池n t r o 。l 。l a e g d 。c s u 。r 。r 瑚e n t 卜 b l o c k s e t 图2 1s i m u l i n k 与p s b 间的信号传递 2 3 定子双绕组感应发电系统模型的建立 在m a t l a b 的p s b 工具箱中其中有一个库为m a c h i n e s ，里面有很多种 电机模型，其中包括三相异步电机、三相同步电机、直流电机以及水力涡轮 机和蒸汽机系统。三相异步电机模型的核心是d q 坐标系下的异步电机的状 态方程，电机参数为常数时不变。该模型适台于电力拖动系统的仿真，效果 很好，但不适合异步发电机系统的仿真。而对于定予双绕组这种新型的异步 l5 定子双绕组感应发电系统的研究 发电机，只有通过其数学状态方程来自行建立仿真模型。这节将详细介绍 定子双绕组感应发电机以及其整个发电系统的建模过程。 定子双绕组感应发电系统模型的建立可分为三个步骤进行：先是建立定 子双绕组感应发电机的s i m u l i n k 核模型，然后将其转化为p s b 模型，最后加 上三相逆变桥、( 三相不控整流器) 、负载和控制器组成一个完整的定子双绕 组感应发电系统模型。 2 3 1 定子双绕组感应发电机si m u i n k 核心模型 为了精确反映定子双绕组感应发电机在不同工作条件( 转