（电力电子与电力传动专业论文）交流励磁发电机交交励磁系统仿真研究.pdf

郑州大学工学硕士论文 a b s t r a c t a ce x c i t e dg e n e r a t o r ( a c e g ) h a ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e ss u c ha sg o o ds t a b i l i t y , 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 yf v s c f ) g e n e r a t i o n ，a c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r r e g u l a t i o ni n d e p e n d e n t l ya n dl a gr e a c t i v ep o w e ra b s o r b i n gd e e p l y i ti sv e r ys u i t a b l ef o r h y d r o e l e c t r i c i t ys e t , p u m ps t o r a g eg r o u p sa n dw i n dp o w e rg e n e r a t i o ng r o u p s i ta l s o m a k e sg o o dw o r k i n gt oe l e c t r i cp o w e rs y s t e ms t a b i l i t ya n ds u p e r v l o t a g et r a n s m i s s i o n s y s t e mo v e rv o l t a g e e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nu t i l i z ea c e gs o , t h em a i n p u r p o s eo ft h i st h e s i si sr e s e a r c ha n dm o d e l i n g e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo f a c e g i nt h i sp a p e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fa c e gi n s t a t i ct h r e e p h a s ec o o r d i n a t e a n di nr o t a r yt w o - p h a s ec o o r d i n a t ea g es t u d i e d t h ce q u a t i o n so fa c e gi nt w o p h a s e s y n c h r o n o u sr o t a t i o nc o o r d i n a t ea g ep r e s e n t e d 1 1 h ee x p r e s s i o n so fa c t i v ep o w e ra n d r e a c t i v ep o w e ro fs t a t o ra n dr o t o rc a nb eg o t t e ni nt h ed - qr e f e r e n c ef r a n l e 。 t h i st h e s i sa d o p t st h ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo fs t a t o rf i e l do r i e n t e d ( s f o ) a n d r e s e a r c h e sv e c t o rc o n t r o lo fa c e gs y s t e m 田l cv e c t o rc o n t r o le q u a t i o n so fa c e g e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma r eg o t t e n 1 1 l ec o n t r o ls t r a t e g yo fa c e gv s c fg e n e r a t i o n a n dd e c o u p l i n gc o n t r o lo f a c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r 缸f i x e d t l l i st h e s i sa d o p t sa c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t e rb yw a yo fe x c i t a t i o ns o u r c eo f a c e gt h r o l 】l g ha n a l y s e so f p r i n c i p l eo fa c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t e r sw o r k , b a s e do n d 怕t l a b s i m u l i n k , t h em o d e lo fc u r r e n t - c o n t r o l l e da c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t e ri sb u i l t , a n db a s e do ns f u n c t i o n , t h em o d e lo fv o l t a g e - c o n t r o l l e da c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t e ri s b u i l t i nt h i sp a p e r , b a s e do nm 棚a b ，s i m u l i n k , t h ec o m p l e t es i m u l a t i o nm o d e lo f a c e g s y s t e mi ss e tu p i ti n c l u d e st h em o d e lo f a c e g t h em o d e lo f h y d r ot u r b i n ea n d r e g u l a t o r , t h em o d e lo fa c - a cf r e q u e n c yo d n v e n e r ，t h em o d e lo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e m a n dt h em o d e lo fe x c i t a t i o nt r a n s f o r m e r b a s e do nt h i sm o d e l ，t h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo f a c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r , t h ep r o c e s so fv s c f g e n e r a t i o n , t h ed y n a m i cp r o c e s s l i k et r a n s i t i o no f s u p e 瑙y n c h r o n o u sa n ds u b s y n c h u r o n o u ss p e e do fr o t o r , t h el i m i to fl a g r e a c t i v ep o w e ra b s o r b i n ga n dt h ep r o c e s so ft h r e e - p h a s es h o r t - c i r c u i ta tg e n e r a t o re n d a r es i m u l a t e d i nt h ee n d t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef f fo ft h em o d e l n cr e s u l ts h o w s t h a tu s i n ga c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t e ra n ds t a t o rf i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y 交流励磁发电机交一交励磁系统仿真研究 啪r e a l i z et h ei n d e p e n d e n tr a p i da d j u s t m e n to fa c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r d u r i n gt h ep r o c e s so fa d j u s t m e n t , t h ef r e q u e n c yo fs t a t o rv o l t a g er e m a i n ss t a b l yt h e s a m e , a n dp h a s cs e q u e n c eo ft r i p h a s er o t o rc u r r e n tc h a n g e sw h e nr o t o rs p e e di s c o n v e r t e db e t w e e ns u p e r s y n c h r o n o u ss p e e da n ds u b s y n c h r o n o u ss p e e d n el i m i to fl a g r e a c t i v ep o w e ra b s o r b i n go ft h em o d e li si na c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l to ft h e o r e t i e a l a n a l y s i s a c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t e ri st h em o s ti m p o r t a n th a r m o n i cs o u r c ei na c e g s y s t e m t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni si na c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l to ft h e o r e t i c a la n a l y s i s s ot h e s i m u l a t i o nm o d e li nt h i sp a p e ri se o r r e c t a ce x c i t e dg e n e r a t o r , v e c t o rc o n t r o l ，a c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t e r , m a a b ，s i m u l i n k 交流励磁发电机交一交励磁系统仿真研究 1 1 课题研究背景及意义 1 绪论 随着2 0 2 0 年全国电力系统实现联网的发展趋势，我国将西部的电力能源通过 超高压、远距离的传输方式送到东部缺电的地区，实现最大范围、最大限度的资 源优化配置【1 棚。全国联网后，随之而来的电网运行控制问题十分突出，它将成为 制约我国电力系统规模发展和效益实现的主要技术因素。全国联网的初期，由于 全国系统的装机容量很大，联络线输送能力低，往往只是接入系统的百分之几。 国外的经验证明，弱联网的初期运行阶段，发生的事故中有2 3 是电网失去稳定。 此外，在超高压、远距离输电系统中，当线路传输功率低于自然功率时，过剩的 输电功率将使线路和电站出现持续工频过电压，危及系统的安全运行l 蛔。据有关 部门报导，我国目前投运的5 0 0 k v 交流输电系统，当线路轻载时持续工频过电压 甚为严重【酗l 。因此，随着现代电力系统越来越趋于大容量、远距离、超高压，重 负载等特点，使得电力系统的稳定和超高压输电线路的无功过剩等问题显得越来 越突出。解决上述问题的传统方法有同步发电机进相运行；电站或线路上高压母 线侧安装并联电抗器、静止无功补偿装置或者同步调相机国外的经验表明，这 些方法都存在一些固有的技术、经济缺陷1 9 ，1 0 】从多种保证电力系统的可靠性和电 能质量措施来看，提高发电机的静态稳定能力是最经济、有效的措旌1 1 1 , 1 2 。二十世 纪七十年代，前苏联的理论研究和工程实践表明：在电力系统中采用异步化同步 发电机( 包括异步化汽轮发电机和异步化水轮发电机) 部分取代传统的同步发电 机，能够有效解决超高压输电系统中由于无功过剩问题而引起的持续工频过电压 及电力系统稳定性问题 1 3 , 1 4 1 。 为了适应电力系统负荷懿线的变化，较好的解决办法是在电力系统中建设一 定容量的抽水蓄能电站，这种电站能承担负荷尖峰和填平负荷低谷，目前己被全 世界公认为是最有效的手段1 1 ，1 5 】。国外的实践己证明，抽水蓄能电站机组采用可逆 型最佳。因为这种机组结构紧凑，厂房和辅助设备少，造价低，但这种机组由于 水轮机兼作水泵，要使其在电动和发电状态下都达到较高的效率，需机组可变速 运行，机组转速一般希望有21 0 的变化协1 5 1 但传统的电动一发电机组是直流励 磁的同步电机，调速比较困难，且运行特性差。此外该机组需电动状态运行时， 起动比较困难。若采用交流励磁发电机取代传统的电动一发电机组( 由于转速交 1 郑州大学工学硕士论文 化范围仅为1 0 ，采用频率为5 1 - - i z 左右的变频励磁电源即可) ，能够有效解决 传统抽水蓄能机组所存在的调速和水轮发电机的变速运行等问题，从根本上解决 以往采用改变电机极数所带来的技术上的麻烦以及谐波等对电机运行性能的影 响。日本经过试验研究，己在抽水蓄能电站中采用了多台双馈变速抽水蓄能机组， 并取得了良好的经济效益闭 另外，随着国际工业化的进程，全球气温逐渐变暖。环境污染日益严重，支 撑工业化进程的能源、电力所主要依赖的化石燃料在地球上的储藏消耗越来越快。 常规能源资源面临枯竭的危险，现代新能源和可再生能源的发展问题摆在了世界 各国的面前。为了不使地球再遭受破坏，由联合国主持召开的日本东京和阿根廷 布宜诺斯艾利斯国际环境会议，要求各工业国按照会议达成的协议有计划有步骤 地降低二氧化碳等温室气体的排放量。这同时也是一个全球可持续发展的战略问 题。在这样的背景下，各工业国对清洁能源倾注了更多的热情，促使了近2 0 年来 可再生新能源技术的显著发展与进步。面对矿物能源的逐渐减少，环境的污染， 优先发展水电，积极寻找新能源，特别是风能发电己成为我国电力工业可持续发 展战略的重点。众所周知，在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要 求风电的频率与电网频率保持一致，即频率保持恒定，然而风力却变化无常。为 了最大限度捕捉风能，提高风力机的效率，同时要求发电机的速度可以在一定范 围内变化，在风力发电系统的控制方案中宜选取变速恒频发电方案【坻堋，即在风 力发电过程中发电机的转速可以随风速变化，而通过一定的控制策略得到和电网 频率一致的恒频电能。在风力发电系统中，若利用交流励磁发电机，通过控制励 磁频率可方便地实现电机转速的调节，从而可以提高风力机的效率；另外从理论 上讲，采用交流励磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即 为直接驱动式结构，从而大大减小系统运行噪声，提高可靠性。因此，随着计算 机与控制技术的飞速发展，采用交流励磁发电机最大限度地捕捉风能，提高风力 发电效率是当前并网运行风力发电技术的发展趋势，并且越来越受到国内外的广 泛关注【9 t l o 临i s 。同样的，其它动力发电设备，如潮汐电站、船舶电机等，都希望 能根据潮汐水位差、船舶原动机转速不断变化的特点采用交流励磁发电机，从而 能使原动机维持在最佳转速下稳定运行。 总之，交流励磁发电机是结合了异步电机和同步发电机的优点而发展起来的 一种新型发电机，其具有良好的调速性能、可调节系统的有功和无功功率、改善 电网功率因数、提高系统的稳定性等优点【1 嘲，特别适合应用于需要变速运行的 水力发电、抽水蓄能电站和风能发电系统中，因此对该发电机及其系统的研究己 成为国内外学者及工程界关注的热点l 捌 交流励磁发电机交一交励磁系统仿真研究 1 2 交流励磁发电机的研究现状 由于交流励磁发电机具有传统同步发电机无可比拟的优越性和广阔的应用前 景，因此其理论研究和实践设计己成为国内外研究和关注的焦点。近十多年来， 许多国家如前苏联、日本和美国等都对交流励磁发电机进行了广泛的研究，并逐 步在工业领域中得到了应用。 前苏联在异步化同步发电机的理论研究和工业应用方面做了大量工作，建立 了异步化发电机的基本理论，提出了双通道励磁控制思想，并对这种电机的设计、 运行特性及并网运行性能进行了研究。前苏联己有两台5 0 m w 异步化水轮发电机 在依奥夫斯克水电站投入正式运行，两台发电机实现了同频异步并列运行，且成 功地实现了在输出无功和大量吸收无功两种工况下运行i l 7 l 。 日本从上世纪八十年代开始研究交流励磁发电机技术，并在飞轮蓄能与抽水 蓄能电站的应用方面取得了成功【4 l 。日立一关西电力公司于1 9 8 7 年投运了世界上 第一台2 2 m w 的变速发电一电动机，并在1 9 9 3 年投运了4 0 0 m w 的可变速抽水蓄 能电站；东芝一东京电力公司于1 9 9 0 年投运了8 0 m w 的变速发电机组，并研制成 功了3 0 0 m w 的变速交流励磁发电机组；高见电站、冲绳发电站等也相继采用了可 调速交流励磁发电机技术。经过日本试验机组的运行研究表明；通过水轮机的变 速运行可以提高水轮机的运行效率，增加水泵运行工况下的自动调频能力，并通 过有功功率、无功功率的快速调节可以提高电力系统的稳定性【5 6 l 。 欧洲、美洲一些国家也就交流励磁发电机及其系统进行了大量的理论和实验 研究工作，发表了大量的文章，包括交流励磁发电机运行的基本原理、数学模型、 稳态分析、瞬态分析以及各种实现其有功、无功独立调节的励磁控制模型，同时 对其在风力发电、船用发电、水电站变水头发电等方面的应用也作了大量的理论 分析【9 姗。 我国在交流励磁发电机技术的研究方面起步较晚，开始于八十年代中期由 于国外对我们实行关键技术保密，使我们在交流励磁变速恒频发电技术研究过程 中遇到很多困难，致使我们的研究发展进程比较缓慢。华北电力大学主要开展了 双轴励磁发电机及其励磁控制研究i 碉，研制了i o o m w 双轴励磁同步发电机的动态 物理模型，进行了双轴励磁发电机的基本方程及其暂、稳态特性的分析，研究了 双轴励磁发电机同频异步稳定运行的物理特性。重庆大学电气工程系长期开展d 、 q 轴励磁异步化同步发电机的理论分析、电磁设计等方面的研究工作 2 6 - 3 2 j 。华中科 技大学有学者对双轴励磁同步发电机的控制系统进行了研究【3 ，j 哈尔滨大电机研 究所与浙江大学、清华大学、沈阳工业大学等单位合作共同承担了“3 8 0 k w 交流 励磁变速恒频发电机试验台”的机械工业技术发展基金项目，对水轮发电机交流 励磁变速运行进行研究，对交流励磁发电机的瞬态运行方式及波形，交流励磁发 郑州大学工学硕士论文 电机的运行特性及稳定性问题、仿真程序等方面进行了研究f 1 冽尽管我国己在 交流励磁发电机方面加强了研究力量，但是由于种种原因，到目前为止国内还没 有商业化的实用机组的制造和投运。 1 3 本文所做工作 励磁控制系统在发挥交流励磁发电机的优良特性方面起着关键作用，因此本 文主要对交流励磁发电机励磁系统进行了仿真研究。本文所做工作如下： ( 1 ) 研究了交流励磁发电机在三相静止坐标系下的数学模型和同步旋转坐标 系下的数学模型，给出了交流励磁发电机在同步旋转坐标下的基本方程，得出定 转子有功功率、无功功率表达式。 ( 2 ) 采用定子磁场定向的方法对系统进行矢量控制研究，得出矢量控制方程， 确定交流励磁发电机变速恒频运行以及有功无功解耦调节的控制策略。 ( 3 ) 本文确定交交变频器作为所研究的交流励磁发电系统的励磁电源，通过对 交交变频器的工作原理的分析，基于m 枷a b s i m u l i n k ，建立了电压控制型和电 流控制型两种类型交交变频器的仿真模型。 ( 4 ) 利用m a t l a b s i m u l n k 软件建立了详细的交流励磁发电系统的仿真模型， 包括：交流励磁发电机模型、水轮机及调速器模型、交交变频器模型、矢量控制 系统模型和励磁变压器模型。利用该模型进行了有功功率和无功功率解耦控制仿 真、变速恒频发电动态过程观测、转子转速超同步与亚同步转换动态过程仿真、 吸收和发出无功功率极限值仿真、机端三相短路仿真及谐波分析。 交流励磁发屯机交一交励磁系统仿真研究 2 交流励磁发电机的数学模型 2 1 交流励磁发电机概述 交流励磁发电机a c e g ( a ce x c i t e dg e n e r a t o r ) 也经常被称为异步化同步发电 机，它在结构上类似绕线式异步感应电机，定子与一般的交流发电机一样，布有 三相分布式绕组；转子也布有三相分布式绕组，这与一般发电机不同。运行时， 定子侧直接接入三相工频电网，而转子侧通过变频器接入所需低频电流。因为转 子侧通过变频器接入的三相低频电流起到了励磁作用，所以被称为交流励磁发电 机 2 , 2 2 1 。也有文献称为双馈电机是因为定子与转子两侧都有能量的馈送【3 0 l 。交流励 磁发电系统的结构如图2 1 所示。 图2 1 交流励磁发电系统结构图 f i g 2 1 t h es t r u a u r a l d i a g r a m o f a c e gs y s t e m 设系统工作对的转子转速为意，变频器提供的励磁电流在转子绕组上所产生的 旋转磁场相对于转子的转速为如。当发电机的转速随着原动机的出力变化而变化 时，只要能利用变频器相应地调节输入转子的励磁电流频率五，从而改变转子磁 场的旋转速度如，就可以在定子上感应出对应于同步转速，l l 的工频电压( 当亚同 步速运行时，维持，l l 一以+ 如；当超同步速运行时，维持，l | - 拜一，1 2 ) ，整个发电系 统即可做到变速恒频运行。 若将交流励磁发电机的定子接在电网上，则定子侧电源频率可认为是恒定的， 郑州大学工学硕士论文 由此可通过检测转予转速来确定转子绕组通过变频器提供的励磁电流的频率厶。 由电机学基本原理可知有如下关系式成立： 啊。开即五朵，j 。型，2 等。斫 o u n t o u 其中正为定予电流频率，玎。为极对数，s 为转差率。 转子侧三相电流的相序取决于，l i 一以的符号。在超同步运行时，转子旋转磁场 相对于转子的旋转方向与转子机械旋转方向相反，此时除定子向电网馈送能量外， 转子也向电网馈送一部分电能；在亚同步速运行对，转子旋转磁场相对于转子的 旋转方向与转子机械旋转方向相同，此时定子向电网馈送能量，而转子需要馈入 能量。 交流励磁发电机的励磁可调量有：励磁电流的频率、幅值和相位。可以通过 接在转子侧的变频器来调节励磁电流的频率，保证在变速运行情况下发出恒频电 力；也可以通过改变励磁电流的幅值和相位，调节输出有功功率和无功功率。当 转子电流相位改变时，由转子电流产生的转子旋转磁场位置就有了一个空间位移， 这就使得交流励磁发电机定子感应电势矢量相对于电网电压矢量的位置也发生了 变化，即功率角发生了改变，使有功功率和无功功率得以调节1 6 1 。当然要真正实现 这一点，还有一个前提就是找到合适的励磁控制方法。这里可以采用电机调速系 统中的矢量控制技术，关于这一点本文将在后面的章节中作更深入的探讨。 2 2 三相坐标系下交流励磁发电机的数学模型【1 9 删 交流励磁发电机的结构与三相绕线式感应电机相似，定、转子绕组均具有三 相绕组。由电机学的知识我们可以知道，一台电机在实际运行时的数学模型是一 组多变量、时变系数的微分方程。本文在分析其运行方式时，作出了一些理想化 的假设： ( 1 ) 不计定转子齿槽影响，定子内表面、转子外表面圆滑，气隙均匀； ( 2 ) 忽略铁磁材料饱和、磁滞、涡流影响和导电材料集肤效应，认为电感系数 与电流无关，各绕组的自感和互感都是恒定的； ( 假设发电机三相绕组对称，在空间上两两相差1 2 0 。电气角度，所产生的旋 转磁场沿着电机气隙圆周按正弦规律分布； “) 忽略温度和频率的变化对电机绕组阻值的影响。 在建立基本方程之前，首先要选定磁链、电流和电压的正方向。图2 2 为一台 两极的交流励磁发电机的物理模型( 极对数n 。= 1 ) ，与三相绕线式感应电机类似， 定、转子侧均具有三相绕组且都是星形连接，其中定子三相绕组轴线a s 、6 i 、c 。在 銮鎏壁垡茎皇! 銮：窑壁蹩至鎏堕墨塑耋 空问位置固定，转子绕组轴线q 、6 ，、c ，随转子旋转，因而转予4 ，轴和定子4 ，轴 之间的电气角度且是变化的。图中还选定了磁链、电压和电流的正方向：各轴线 正方向取为对应绕组磁链的正方向，绕组线圈内电势正方向取与电流正方向相同； 定子侧电压正方向与电流正方向符合发电机惯例，正值电流产生负值磁链；转子 侧电压正方向与电流正方向符合电动机惯例，正值电流产生正值磁链。 2 2 1 电压方程 图2 2 交流励磁发电机的物理模型 f i g 2 2t h ep h y s i c a lm o d e lo f a c e g 下标s 表示定子侧参数；下标，表示转子侧参数；定子各相绕组的电阻相等， 取为；转子各相绕组的电阻相等，取为 交流励磁发电机电压方程用矩阵形式表示为； - r , 00 0 00 0 - r , 00 0 0 00 - r , 000 0 0 000 0 0 00 0 0 0 0 00 k k k o k 0 + p q , 日 觑p k p 缈a 硼。 p 妒扣 酗。 ( 2 1 ) 或写成： u 一瑚+ p i ， ( 2 2 ) 式中u 为各绕组端电压列向量，i 为各绕组电流列向量，i ，为各绕组合成磁链列向 量，r 为电阻矩阵，p 为微分算子兰 m 7 妇如妇妇糖妇 郑州大学工学硕士论文 2 2 2 磁链方程 定子、转子各绕组的合成磁链是由本绕组的自感磁链和本绕组与其他绕组间 的互感磁链所组成。因此，六个绕组的磁链方程式可表示为： 妒珊 妒h 妒口 1 ；f ，盯 妒打 1 ：f r 仃 一l m 。 也。 也。 一l 。m k 。 一o 。 l 越 k l a o k l 盯 ( 2 3 ) 或写成： 、i ，一l i( 2 4 ) 式中，l 是6 x 6 的电感矩阵，其中对角元素k 。、k 向、屯。、k ，、k 。、k 。 是与下标符号对应的绕组的自感，其余各项是与下标符号对应的绕组两两问的互 感。 任何一个绕组的自感习惯上可分为对应于漏磁路的漏电感及对应于主磁路的 主电感两部分。主电感对应于沿气隙主磁路通过的那部分磁通，是绕组自感中的 主要部分。由于各相绕组的对称性，可认为定子各相漏感值相等，转子各相漏感 值也相等。定义定子绕组每相漏感为乞，定子绕组每相主电感为钿，转子绕组每 相漏感为0 ，转子绕组每相主电感为。 则定子各相自感为： k 。一k 知- l 。一。+ 毛 ( 2 5 ) 转子各相自感为： k ，一k 。一乙。一k + 0 ( 2 6 ) 两绕组间的互感与两个绕组的有关匝数乘积以及气隙主磁路的磁导成正比。 电机各相绕组之间的互感又分为两类：一是定子三相绕组之间的互感以及转子三 相绕组之间的互感，由于彼此之间位置相对固定，故此类互感为常值；二是定子 某相绕组与转子某相绕组之间的互感，此类互感是定转子轴线间夹角晓( 电气角 度) 的函数。 先看第一类互感，由于三相绕组的轴线在空间的相位差是2 , - r 3 ，在假定气 隙磁通为正弦分布的条件下，结合绕组的对称性，则定子绕组两相之间的互感值 为： k o o s 等一l c o s ( 一争一圭k ( 2 7 ) g 缈缈 缈缈 耖枷耖加加加 于是有： 1 上一k 。一乞。一k 。，瓦。一k 。一寺k ( 2 8 ) 同理可得转子绕组两相间互感值为； 1 k 一- k 。- ，一k ，一乞，- k ，三k( 2 9 ) 至于第二类定子、转子绕组之间的互感，也可以根据互感的定义推导得到： 乞，- 乞，- k _ 一k j i 一三a 。一乓。一乓c o s a ,( 2 1 0 ) k 。k 。k ，k 。；o c o s ( o , + 娶)( 2 i x ) k ，k 。k ，k 。k 。，c o s ( o , 一孕) ( 2 1 2 ) 其中，l 是此类互感变化的幅值，称为定转子间互感系数。将式( 2 5 ) 至式( 2 1 2 ) 都代入到式( 2 3 ) ，即得到完整的磁链方程。这里为方便起见，将它写成分块矩阵的 形式j 阶【：乏挑】 式中；吼一眇。妒。妒。】r ；凯一，妒。妒。】r i ，一【乞乞】r ：i r ko 】r l 埘一 l 仲l k + k 一三k 一三k 毛k 毛+ k 一丢k 一三k 一三k 毛+ 三孵 k 心一丢k 一扛 k + k 一知 一主k 一三k 乓+ k ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 郑州大学工学硕士论文 k 一巧- l , c o s b c o s ( o , 一孚 j c o s ( o , + 马 j c o s ( o , + 马 j c o s 谚 c o s 辑一刁2 a j c o s ( o , 一冬) j c o s ( o , + 马 j c o s 且 ( 2 1 6 ) 值得注意的是，l 。和l 。两个分块矩阵互为转置且与转子位置角b 有关。它 们的元素都是变参数，这是系统非线性的一个根源阎。为了把变参数转换成常参 数需利用坐标变换，这将在下一章中讨论。 将磁链方程式( 2 4 ) 代入电压方程式( 2 2 ) ，可得如下方程： u m 叫l i ) 。r i + l 罢+ 詈i - 1 1 i + l 罢+ 詈叩 ( 2 1 7 ) 可以看出，其中的电动势项可分为两部分：第一部分l d i d t 为脉动电动势( 或 称为变压器电动势) ；第- - 部分( d l d 0 , ) q l 是与转速q 成正比的旋转电动势。 这里需要指出的是： ( 1 ) 定子侧的磁链正方向与电流正方向关系是正值电流产生负值磁链，不同于 电动机惯例，所以方程中电阻前出现了负号“”；。 ( 2 ) 转子绕组经过匝数比交换折算到定子侧后，转子绕组主电感、定子绕组主 电感和定转子绕组间互感系数可认为都相等，即瓦- l 一z k ； ( 3 ) 定转子轴线间电气角度q 是以定子绕组4 。轴线和转子绕组a ，轴线为参考 计算的，如图2 2 所示。 2 2 3 运动方程 交流励磁发电机内部电磁关系的建立，离不开输入的机械转矩和由此产生的 电磁转矩之间的平衡关系。起动时，输入的机械转矩疋使电机转速上升，感应产 生的电磁转矩t 也随着增加，忽略电机转动部件粘性摩擦，当瓦和t 达到平衡时， 电机转速趋于稳定。此时有方程描述为： 互。+ j d c ，o ( 2 1 8 ) u l 式中的为电机转动的机械角速度，与转子电气角速度婢之间的关系为 q - 蚪，为转子的转动惯量，单位为k g m 2 从磁场能量可以得出电磁转矩方程，设磁场能量为讳0 ，由定义可知f 蜘： 交流励磁发电机交一交励磁系统仿真研究 矾如i l j r - 【f k l 。】 则电磁转矩为： 互- 薏叫等i ，( 2 2 0 或写成标量形式： t - 田，上，脚【( 0 + 0 0 + 0 ) s m b + 也0 + 0 + 0 ) s i n ( g + 二， ，。 ( 2 2 1 ) + ( 0 + k 0 + i = i b , ) s i n ( o , 一等) 1 式中是机械角度，啡是电气角度，且有- n p o , 。若交流励磁发电机的极对数 以，- 1 ，n p 可以忽略不写 2 2 4 功率方程 发电机定子侧输出的瞬时功率表达式为； a - 。0 + h 毛i + 。t ( 2 2 2 ) 或写成矩阵形式为： a n ：i ，一q ( 2 2 3 ) 其中u ，一0 。“。a 厂，i ，一( 0 屯f 4 ) r 需要指出的是，瞬时功率的实用意义并不大，通常人们用另外三个功率量来 反映正弦电流电路能量交换的情况，即：有功功率p 、无功功率q 和视在功率s 。 电机的功率还可以用复功率来表示，定子侧复功率由定子侧复数电流和定子 侧复数电压按下式确定： s - 以r 一片4 - j q l( 2 2 4 ) 其中，r 是乏的共轭复数，日是定子有功功率，奶是定子无功功率。 号一r e ( 以r ) ，q l h ( 以c )( 2 2 5 ) 同理可以写出转子侧功率表达式为： 最一r e ( u , f ) ，q 2 一i n l ( 以f )( 2 2 6 ) 根据本文的正方向规定，当露 0 时表示交流励磁发电机定子向电网输出电功 率；当只c o 时表示交流励磁发电机定子由电网吸入电功率；而当最，0 时表示交 流励磁发电机转子由电网吸入电功率；当只t 0 时表示交流励磁发电机转子向电网 输出电功率。 郑州大学工学硕士论文 2 3 交流励磁发电机的功率传递关系 交流励磁电机系统在机电能量转换的过程中，由于转子侧存在滑差功率和交 流励磁电源，因而与普通同步机和异步机有所不同，故有必要对其功率传递关系 作一归纳总结【1 9 捌。 设从原动机输入到交流励磁发电机转子轴上的净机械功率为f 乙，发电机电磁 功率为巳，转子绕组输入的有功功率为最，定子绕组输出的有功功率为号，忽略 交流励磁发电机的定、转子的铜损耗、铁损耗及各种机械摩擦损耗等，可以得到 以下各功率平衡式： 匕一+ 最 s p 。 ( 1 p 2 一j ) 己 ( 2 2 7 ) 最一名 按照前面的正方向规定，当只，0 时转子绕组由电网输入电功率，此时交流励 磁电机工作在亚同步状态下，s ，0 ；当只t 0 时转子绕组向电网输出电功率，这部 分功率也由电机轴上输入的机械功率提供，此时双馈电机工作在超同步状态下， j 0 。 对于交流励磁电机可以通过控制转子绕组电压的频率、幅值、相位和相序， 来调节转子电流，进而改变电机的电磁转矩，使其在四象限内运行，从亚同步速 ( j 0 ) 到超同步速( $ ( 0 ) 范围内，交流励磁电机既可以作电动机运行又可以 作发电机运行。在交流励磁发电系统中，电机转子转向与旋转磁场方向一致，但 与电磁转矩方向相反；而在交流励磁电动系统中。转子转向、旋转磁场以及电磁 转矩方向三者相刚阍。表2 1 对此作了个对比分析。 表2 1 交流励磁电机发电状态与电动状态的对比分析 t a b 2 1t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so f g e n e r a t i o ns t a t ea n de l e c t r o m o t i o ns t a t eo f a c e g 电动状态发电状态 电磁转矩方向与转子转向和旋转磁场方向相同与转子转向和旋转磁场方向相反 定子绕组 输入电功率输出电功率 转子亚同步j 0输入电功率输入电功率 绕组 超同步j 转子转速机碱转矩卜_ 回 定子电压 斗机械转矩 定子电压 圃- 定子龟涟 回 转子电瀛 定子电流 ii o j e r 卜_ 叫： 蛹速转子蛭啦 转子电压 c 矗转子电流 i m二i ： - - +无功给定 有功给定 e定子慨 转子转速 巾g 山卜一l p - r e 7 h + il p _ s t e p l 图3 1 1 交流励磁电机定子磁链定向矢量控制仿真模型 f i g 3 1 1t h em o d e lo f s f ov e c t o rc o n t r o ls y s t e mf o r a c e g 仿真模型中将电网频率看作是理想不变的，从而用一个固定值来代替。交交 变频器模型中共有3 6 个晶闸管模型，每个单相输出的交交变频器模型中都含有余 - “ 銮鎏星垡垄皇垫銮：奎塑垡蚕丝望塞蟹塞 弦交截法触发脉冲产生、换向逻辑控制等多个子模块，这是整个系统中最为复杂 的一部分。西门子公司曾开发过种为交交交频器调速配套的电机模拟器，他们 是用比例环节代替交交变频器的，实践证明该模拟器可以准确地模拟系统工况。 国内也有这样的交交变频自动控制仿真系统，将交交变频器简化为比例环节，仿 真结果与实际系统非常接近【1 9 1 。本文现在也采用这样的简化仿真方法，用比例环 节来代替交交变频器。第4 章将着重讨论交交变频器的建模仿真。第5 章详细介 绍交流励磁发电机的系统仿真，这里的原动机及调速器模块、交流励磁发电机模 块也将在第5 章中介绍。 为保证仿真的数值稳定性，微分方程求解采用m a t l a b 的四阶五级 r u n g e k u t t a 交步长算法( o d e 4 5 ) ，最大仿真步长为0 0 0 0 1 秒。在0 时刻给定有功 无功初始值分别为0 3 6 p u 和0 p u 。有功给定值在0 2 s 阶跃增大至0 6 6 p u ，在0 8 s 阶跃减小至0 3 6 p u 。无功给定值在o 3 s 阶跃增大至0 2 p u ，在0 7 s 阶跃减小至0 p u 。 图3 1 2 给出了仿真波形结果。 o 6 0 4 o0 2 一o 一0 2 ，、0 6 一o 4 0 2 o 。6 一o 4 o0 2 0 0 2 30 1 1 30 1 00 10 2 0 30 4 0 5 0 60 70 80 91 t i m e ( s ) 图3 1 2 交流励磁电机定子磁链定向矢量控制仿真结果 f i g 3 1 2t h es i m u l a t i o nr e s u l to f a c e gi ns f o 其中( a ) 图为有功给定值和无功给定值波形图， 图为转子电流d q 轴分量波形 图，( c ) 图为发电机输出有功无功波形图，( d ) 图为转子a 相电流波形图，( c ) 图为定 2 5 郑州大学工学硕士论文 子a 相电流波形图。从图中可以看出当有功给定值在0 2 s 和0 s s 阶跃增大和阶跃 减小时，图中转子电流q 轴分量随有功给定值变化，d 轴分量保持不变，( c ) 图 中发电机输出有功随有功调节命令变化，无功保持不变；当无功给定值在0 3 s 和 o 7 s 阶跃增大和阶跃减小时，图中转子电流d 轴分量随有功给定值变化，q 轴分 量保持不变，( c ) 图中发电机输出无功随无功调节命令变化，有功保持不变。从仿 真波形结果中可以德出：采用本文所建立的基于定子磁链定向的矢量控制模型可 以实现交流励磁发电机模型中的有功无功的独立快速调节。验证了矢量控制策略 及本文所建模型的正确性。 由于交交变频器简化成了比例环节，所以图3 8 和图3 9 是基本一致的，仿真 结果也一致，为避免赘述，这里就不再介绍图3 8 的仿真模型与结果了。 3 5 小结 本章首先介绍了矢量控制的基本原理，得出由三相静止坐标系到同步旋转坐 标系的转换公式，在此基础上得到了交流励磁发电机在d - q 坐标系下的电压、磁链、 功率和转子运动方程式。然后在定子磁链定向的控制思想下，推出定子磁链定向 的控制方程，给出了矢量控制框图。最后基于m a t l a b s i m u l l n k ，建立了定子磁 链定向矢量控制模型，仿真分析结果表明本文所建立的基于定子磁链定向的矢量 控制模型可以实现交流励磁发电机模型中有功无功的独立快速调节。 交流励磁发电机交一交励磁系统仿真研究 4 交交变频器的建模与仿真 交流励磁发电机一般采用双馈发电机转差励磁方案。双馈发电机转子为三相 绕组，当转子三相绕组流过三相对祢低频交流电流时，便会在转子上产生一个低 速旋转磁场。这个磁场的旋转速度与转子的机械速度相叠加等于定子的同步速度， 从而在发电机定子绕组中产生相应于同步转速的工频输出电压。这种系统主要由 交流励磁发电机、交交变频器、矢量控制器( 控制定子有功无功输出) 、检测装置 组成。交流励磁发电机励磁系统的功率输出是由三相输出的变频器来完成，控制 单元根据指令或工况自动调节变频器输出电流的幅值、频率和相位，其控制系统 及功率输出单元的结构及原理要比同步发电机励磁系统复杂。因此，选择合适的 变频器尤为重要。 本章首先介绍了交流励磁发电机励磁系统主电路型式的选择，然后介绍了交 交变频器的基本原理，最后对电流控制型交交变频器及电压控制型交交变频器进 行建模仿真。 4 1 交流励磁发电机励磁系统变频器选择1 9 , 2 6 , 3 6 , 3 7 1 我们先来看一下两种不同的频率控制方式：一种是他控式，种是自控式。 在他控式工作方式中，由专门的频率给定装置来独立地控制交频器的输出频率， 在电网频率和变频器输出频率一定的情况下，电机稳态转速不随轴负荷的变化而 变化；当突加负载或其它参数突变时，存在失步问题。在自控式工作方式中，电 机转子侧变频电源的频率是通过系统内部环节来调节的，系统能根据电机的运行 状态进行自动控制，实现变速恒频运行。对于变速恒频交流励磁发电系统来讲， 般选用自控式。当原动机输出转矩发生变化时，让发电机转子转速随之变化， 而通过调节变频器的控制电压来控制变频器实际输入发电机转子的电压，使发电 机对应最佳的输出效率。 变频器在整个系