（电气工程专业论文）双pwm变换器励磁的交流励磁发电机励磁系统设计.pdf

重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h e r ei sab r o a dp r o s p e c tf o ra l t e r n a t i n gc u r r e n te x c i t a t i o ng e n e r a t o r ( a c e o ) i n i m p r o v i n gt h es t a b i l i t i e so fe x t r a - h i g hv o l t a g ep o w e rs y s t e ma n di nc o n s t a n tf e q u e n c y g e n e r a t i o nw i t hv a r i a b l es p e e d , b yu s i n gt h et h r e e - p h a s ea l t e r n a t i n gc u r r e n te x c i t a t i o n a n dr e a l i z i n gi n d e p e n d e n tr e g u l a t i o no f a c t i v ep o w e r , r e a c t i v ep o w e ra n dr o t a t es p e e d i t i st h ek e yp o i n tf o ra c e gt op l a yg o o dr e g u l a t i o np e r f o r m a n c e , a g i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f o p e r a t i o nt h a tu s i n ga p p r o p r i a t ee x c i t a t i o nc o n t r o ls u u t e g ya n de x c e l l e n te x c i t a t i o n p o w e rs u p p l y i nt h i sp a p e r , t h ed u a l - p a s s a g ee x c i t a t i o nc o n t r o ls w a t e g yb a s e do nd y n a m i c s y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef l a m ci sa n a l y z e da n dt h ed u a lp w m c o n t r o la c - d c - a cv o l t a g e f l o u r c 跫c o n v e r t e rw i t he x c e l l e n ti n p u ta n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c si sp r o p o s e da st h e e x c i t a t i o np o w e rs u p p l yf o ra c e gt h eh a r d w a r eo f e x c i t a t i o ns y s t e mf o ra c e ob a s e d o nd u a lp w mc o n v e r t e ra l ed e s i g n e db yu s i n gh i g hs p e e dd i 幽ls i g n a l1 3 1 - o c 七s $ o r 皿讧s 3 2 0 f 2 8 1 2a n d 口m t h es o f t w a r e so fe x c i t a t i o ns y s t e ma r ec o m p l i e da n d d e b u g g e dw i t hcl a n g u a g e t h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h ed u a l - p a s s a g ee x c i t a t i o n c o n r a i ls t r a t e g yb a s e do nd y n a m i cs y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef l a m ei sv a l i d a t e dt h r o u g ht h e e x p e r i m e n tr e s e a r c h t h ei n d e p e n d e n tr e g u l a t i o no fa c t i v ep o w e r , r e a c t i v ep o w e ra n d r o t a t es p e e dc a nb er e a l i z e da n dt h ea c e gh a sg o o dd y 衄n i cr e s p o n s ea b i l i t y a st h e i d e a le x c i t a t i o np o w e rs u p p l yf o ra c e gt h ed u a lp w mc o n v e l t e rh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sb i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w , l o wh a r m o n i c si n p u ta n do u t p u tc u r r e n t s , e x c e l l e n t d y n a m i cr l 强p o l l s ea n da d j u s t a b l ep o w e r f a c t o r t h er e s u l t so f t h i sp a p e rw i l lb eh e l p f u lt od e s i g nt h ee x c i t a t i o ns y s t e mo f a c e g k e yw o r d s ：a c e x c i t e dg e n e r a t o r ；, d y n a m i cs y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef r a m e ； d u a l - p a s s a g ee x c i t a t i o nc o n t r o l ；d u a lp w m c o n v e l t e l 独创性声明 本人声哽所呈交酶学缀论文是本人在导师指导下进牙的磷究工终及取 得的研究成果。据我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文 书不包含其他人已经发表或撰写过的研究成暴，也不毽含为获褥重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中佟了明确的说明势袭示谢意。 学位论文作者签名：同水墨 签字日期： 一7 年朋碉 学位论文版权使用授权书 本学饿论文镎者完全7 解耋废盍堂有关谦罄、篌耀学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被套麓纛错阕。本人授权耋鏖太堂霹班将学经论文鳇全部鲮部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制警段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属乎 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“，”) 学位论文作者签名：f 司隶老 警师签名： 签字强期：町年f 嚣瑟嚣 辫蹶峄芗月露嚣 | 重痰大学颈圭学位论文l 缝论 1 绪论 1 弓| 言 交流励磁发电机( a l t 啪a t i n gc t m 伽te x c i t e dg e n e r a t o r ：a c e o ) 又称双馈感应 发电机( d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ：d f i o ) ，是结合了异步发电机和同步发电 机的优点而发展起来的种新型发电机它舆有良好的调速性能、有功功率和无 功功率独立可调、改善嘏阙功率因数、提菇嗽力系统鲍稳定性以及裰对较小静殛 磁容鬣等筑熹，特剃逶溺强力、交拳头承力发电与麓承蓍麓等搿再生戆源发耄。 由予舆有优于传统同步发电机的性能，交流励磁发电机的大量成用对提高电力系 统的蜜全与稳定具有重大意义“侧 溻今，我国正在大力实施“西电东送”项目的建设通过越商压、远距离的 输电方式把珏部的电力能源送嚣东部缺电的城区，实现最大范疆、最大限度的资 巍俊魏熬萋。在超毫垂、远蘸蓠赣龟系统孛，囊线籍簧输葵攀繇等鑫然臻率戆， 过剩的无功功率将使线路和电站出现持续工频过电压，危及线路的绝缘寿命，使 线路损耗增加，严重时使发电机无法并网。因此，随着现代电力系统越来越趋于 大容擞、远距离、超高联、熏负载运行，电力系统的稳定和超商服输电线路的无 功过剩薅河遂正显褥越来越突出n 哪。解决上述闯题鲍传统方法鸯网步发电机进糟 运磐；耄楚或线路蹇燕霹绫赘安装莠联耄撬嚣，静壹无臻毒 嫠装嚣藏嚣多调稳撬 等。然弼这些方法都存焱一些爵有的技术、缀济缺陷。提高发魉枫自身豹稳定性 以及无功调节能力是最直接和最经济的措施。：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( 包括舜步化汽轮发电 枫和髯步化水轮发电机，糨应转子为直流和交流励磁，后者也称为交流励磁发电 撬) 帮分鼗鼗簧绕憨同步发电爨，能够骞效辫捩超蹇压疆邀系统孛痰手无袭过燕阂 嚣褥零l 起静持续工频过彀聪及电力系统稳定谯闻题嘲。魏井，交流獭磁发电枫还具 有优予传统同步发电机的暂态稳定性，通过适当地控制交流励磁发电机能够对暂 态过糕中电网电压和频率提供积极的支持1 因此，交流励磁发电机技术的应用 对掇尚嗽力系统的安全与稳定性具有重大意义 隽逶廑系统受薅鏊线戆交谴、往纯毫秀终 奄、撵毫电戆震墓、舞低系统发电 综会成本，应按电霹慧装祝容量建设一定院铡豹籀承蓄薤电娆，掏承蓄辘电站具 有启动快、运行灵活的特点，在系统中可承摁填谷、调峰、调频、调相和紧急备 用等任务1 传统的电动一发电机组采用壹流励磁的传统同步发电机，调速比较 困难鼠运行特性差，此外遨类机组作电动状态运行时，起动比较阑难。国外的实 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 践已证明，抽水蓄能电站机组采用机组结构紧凑，厂房和辅助设备少的两机式可 逆型机组为最佳。但由于这种机组水轮机兼作水泵运行，为使得机组在电动和发 电状态下都达到较高效率运行，要求机组在士1 0 左右范围内变速运行旧由于转 速变化范围仅为主l o 左右，采用频率在士1 0 额定频率范围内可调的变频励磁电源 供电的交流励磁发电机取代传统的电动一发电机组，即可有效解决传统抽水蓄能 机组所存在的调速或水轮发电机的变速运行等问题。目前日本、德国等发达国家 经过试验研究，已在抽水蓄能电站中采用了多台交流励磁变速抽水蓄能机组，并 取得了良好的经济效益。 常规水力发电站，水轮机的最佳转速( 效率最优) 与水头有很大关系，水轮机 的额定转速一般按照预期的加权平均水头设计，在此条件下，水轮机可发挥最佳 效率但是，在汛期或枯水期，水头偏离设计的加权平均水头过多，尤其对于建 设周期长的大型水电站如三峡电站，无论是初期投运还是正式投运，其水头都存 在较宽的变化范围睁“。这使得水轮机无法持续运行在最佳工况，水轮机效率降低， 气蚀系数增大，泥沙磨损和机组振动增大，机组运行工况恶化为解决这一问题， 传统同步电机，只能通过改变电机极对数的办法来实现变速。这种折衷办法，在 大的水头变化范围内，仍难以使水轮机发挥最佳效率，并且电机结构设计相当复 杂。如果发电机允许直接变速运行，使其总运行于最佳转速，则会使水轮机发挥 最佳效率，并大大减轻气蚀与泥沙磨损，并减小机组振动。因此，从改善机组运 行性能的角度出发，应当采用可变速恒频运行的发电系统。特别对于我国水力资 源丰富，且多泥沙的河流较多，如果在水力发电中采用可变速运行的交流励磁发 电机，则可以在水头变化时相应地调节机组转速，同时兼顾出力要求，发出恒频 电能删，使汛期与非汛期发电机组始终运行于水轮机的最优单位转速附近，实现 发电机负荷优化调节，从而减少水轮发电机组振动、气蚀和磨损，延长水轮机的 寿命，提高系统运行效率以及增加系统的稳定裕度。 风能是大自然中蕴藏丰富，可再生、无污染的能源，考虑到减少非再生性有 机燃料的开采和使用，以保护生态等原因，利用风能具有特别的现实意义从世 界范围看，欧洲和北美在开发和利用风能发电方面处于世界领先地位，尤其是欧 洲的丹麦、德国和英国以及北美的美国目前风力发电已在可再生能源的开发中 独树一帜，成为对常规能源最具竞争力的新能源发电方式。在风力发电技术中， 由于交流励磁发电机能变速恒频运行，实现了机组和电网的柔性连接从而大大缓 解了机组轴系的机械应力并降低了系统成本与此同时，采用原动机最佳效率跟 踪控制还能够提高整个风力或水力发电系统的效率。因此目前交流励磁发电机已 经成为主流的风力发电机“圳 总之，交流励磁发电机具有良好的调速性能及较高的效率、可独立调节电网 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的有功和无功功率、改善电网功率因数、提高电力系统的稳定性等优点，并且技 术上是可行的，经济效益十分可观，预计将有广阔的市场和发展前途。 1 2 交流励磁发电机励磁控制策略及其励磁电源的研究现状 交流励磁发电机具有许多优点以及优越的运行性能，然而适当的励磁控制策 略是交流励磁发电机实现优越运行性能的关键。因此对交流励磁发电机励磁控制 策略的研究一直都是国内外研究的重点“。目前对于电网正常运行时交流励磁发 电机的励磁控制策略，已进行了大量的研究，并实现了发电机变速恒频运行、有 功、无功的解耦控制以及原动机最佳效率跟踪运行等基本性能常见的励磁控制 策略主要包括：矢量控制和直接功率控制等另一方面，电网非正常运行时交流 励磁发电机的励磁控制策略是目前国内外研究的热点。随着接入电力系统的交流 励磁发电机容量的增加，电网出现扰动或故障时发电机与电力系统的相互作用成 为越来越被广泛关注的课题。在现有的风力发电中，当系统出现扰动或故障并导 致发电机端电压下降或频率发生波动，交流励磁发电机组在电力系统非正常运行 时保持不脱网对系统恢复正常运行也具有同样重要的意义 为了有效地实现交流励磁发电技术，还必须要有一套性能优良的交流励磁变 换器作为交流励磁发电机的励磁电源。交流励磁发电机的控制就是通过对转子交 流励磁用变换器的控制实现的从电力电子技术角度看，有不少可实现频率变换 的变换电路可用，但由于交流励磁发电机的特殊要求，应使转子交流励磁变换器 必须具备：( 1 ) 输出励磁电压的幅值、频率、相位、相序均可自由调节，以控制发 电机转子磁场的大小、相对于转子的位置和电机的转速；( 2 ) 发电机的转子与定予 之间存在耦合磁场，转子侧的谐波电流会在定子侧感应出相应的谐波电势，为确 保定子侧所发出的电能的质量，要求励磁变换器要有优良的输出特性；( 3 ) 功率可 快速地进行双向流动，具有四象限运行能力，以符合交流励磁发电机的运行要求， 允许能量从发电机转子方通过励磁变换器回馈给电网；( 4 ) 随着发电机组单机容量 的增大，励磁变换器的容量也在增大，为了防止变换器作为电网的非线性负载对 电网产生谐波污染和引起无功问题，要求变换器的输入特性好，即输入电流的谐 波少，功率因数高。因此交流励磁发电技术实现的关键在于寻求一种输入、输出 特性好，电力谐波小，功率可双向流动的。绿色”变换器，研究交流励磁发电机 的励磁电源有着重要的理论价值和工程意义 交流励磁发电机的励磁电源系统主要有两种形式脚：交一交变换方式和交直 交变换方式对于传统的交交变频器而言，其主要用于大功率、低转速的交流调 速系统中，由于没有中间直流环节，只用一次交流，将电网频率的交流电直接变 换成不同频率的交流电，使用电网换相，所以有着较高的变流效率，而且可以方 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 便地实现四象限运行，功率可快速地双向流动，但是由于其采用相控方式，造成 输出电压中含有大量的谐波，低频输出时谐波含量尤其重，且其输入侧功率因数 也很低。在用作励磁电源时会在发电机定子方产生大量谐波电压，严重影响输出 电能质量。由此可见，选用传统的交一交变频器作为交流励磁发电机的励磁电源会 对电网和发电机产生严重的谐波污染和负面效应。随着电力电子技术、计算机技 术和控制技术的不断发展，种具有良好输入、输出特性的功率交换器应运而生， 即矩阵式交交变换器删，这种交换器是具有先进拓扑结构“全硅组成”的功率 变换器，作为电能直接变换的一种形式，其继承了传统交交变频器的优点：频率 一次交换；无需大容量的中间直流储能元件；功率双向流动；效率高等由于采 用全控器件，运用先进的控制手段，又使得其具备交直交交频器的优点：输出电 压灵活可控且其低频谐波含量大大减少另外，其输入性能也十分优良：输入电 流保持正弦；输入位移因数可达到o 9 9 以上并可自由调节，且与负载性质无关。 因此近年来对矩阵式交换器的研究形成一个热点目前国外矩阵式变换器的研究 工作尚未完全成熟，国内一些研究单位才刚刚起步开始对其进行研究，制约其实 用化的根本原因有以下几点：目前尚无商品化的真正意义上的双向开关器件；控 制策略和保护方案都十分复杂。对矩阵式变换器的理论研究多局限于其基本控制 原理，控制方案的选择和实现，换流策略的选择和实现，以及输入滤波器和保护 电路的设计等方面。在这些理论研究的基础上进行的试验研究多为设计矩阵变换 器驱动小功率对象的原型样机，以完成对矩阵式变换器本身运行原理、控制方法 和保护措施方面的功能性验证，目前尚无将其作为交流励磁发电机励磁电源的试 验研究。在双向开关器件没有商品化之前，矩阵式变换器作为交流励磁发电机的 励磁电源离实用还有距离。但是随着电力电子技术和器件的不断发展，制约其发 展的因素一旦得到解决，凭借其优良的性能，矩阵式变换器应该在交流励磁发电 机励磁电源系统中占有一席之地。 另一种得到广泛使用的变频器便是交直交变频器，其输出性能十分优秀。但 是若将传统的交直交电压型变频器作为励磁电源，则会出现下述问题：输入采用 = 极管不控整流，造成输入电流畸变、谐波增大，输入功率因数低，更为不利的 是能量无法从发电机转子方回馈给电网，只能在中间直流环节安装泵升电路和泄 能电路阻消耗回馈能量，这样做很不经济，且对中间储能元件造成极大冲击国 外有文献提出：当有能量回馈时，使原本工作在逆变状态的电路转换为二极管不 控整流状态，二极管整流电路则转换为逆变电路，完成能量从转子方向电网侧的 回馈。但由于对转子实行二极管不控整流，则转子电压势必会产生谐波，这样将 在定子方输出电压谐波，由于存在中间直流大惯性环节和二极管整流状态向逆变 状态的切换，能量也将不能及时得到回馈 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 为解决传统交- 直- 交电压型变频器存在的这些问题，可以采用双p w m 控制的 交- 直- 交电压型变频器作为交流励磁发电机的变频励磁电源。由于交直交电压型 变频器的主电路拓扑方案已经非常成熟，因此其体积小、成本低，技术上实现可 靠，借助于成熟的p w m 控制技术，在交直交变频器中对整流电路和逆变电路均 采用可控p w m 进行控制，可以将整个系统对电网和发电机的谐波污染控制得非常 低，同时具有较高的功率因数，不仅如此，通过p w m 控制还可以非常容易地实现 四象限运行，这样就基本上达到了和前述矩阵式变换器相近的优越性能，且其主 电路设计、驱动电路设计、保护电路设计及控制系统设计均比矩阵式变换器简易。 综上所述，目前双p w m 控制的交直交电压型变频器在设计实现上易于矩阵 式变换器，在性能上优于传统交- 交变换器和交直交变换器，因此其非常适于用 作交流励磁发电机的励磁电源 1 3 本文的主要内容 本文针对交流励磁发电机励磁控制系统的特点，分析了各种励磁控制策略和 变频励磁电源，最后采用性能优良的双p w m 控制的交直交电压型变频器作为交 流励磁发电机的励磁电源，动态同步轴系双通道解耦励磁控制策略作为实现交流 励磁发电机的有功、无功解耦的控制方法。选用高速数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 设计实现了双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机励磁系统试验平台。最后通过稳 态、动态试验研究，分析了动态同步轴系双通道解耦励磁控制策略和双p w m 变频 电源的性能。 主要工作： ( 1 ) 设计实现双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机励磁系统的硬件平台。 ( 2 ) 编写了双p w m 变换器励磁的交流励磁发电机励磁系统的软件 ( 3 ) 利用建立的交流励磁发电机试验系统进行试验研究。进一步验证动态同步 轴系双通道解耦励磁控制策略的正确性和双p w m 变换器是交流励磁发电机的理 想电源。 s 重庆大学硕士学位论文2 交流励磁发电机的励磁控制 2 交流励磁发电机的励磁控制 交流励磁发电机具有许多优点以及优越的运行性能，而适当的励磁控制策略 则是交流励磁发电机实现优越运行性能的关键。因此对交流励磁发电机励磁控制 策略的研究一直都是国内外研究的重点。 交流励磁发电机励磁控制的基本要求是实现有功功率和无功功率的解耦控 制，为了实现有效的控制，必须对交流励磁发电机进行充分的了解。为此，本章 首先介绍交流励磁发电机的运行特性，建立三相静止a b c 坐标系和两相同步旋转 由坐标系下的交流励磁发电机数学模型，然后在此基础上讨论了目前常采用的两 种励磁控制策略( 矢量控制和直接功率控制) 洲，最后详细介绍由我教研室提出的 基于动态同步轴系双通道解耦的励磁控制策略酬。 2 1 交流励磁发电机的运行特性 交流励磁发电机的基本结构与绕线式感应电机类似。如图2 1 所示，其定子侧 接电网，转子上采用三相对称分布的励磁绕组，由幅值、频率、相位以及相序任 意可调的变频器提供励磁。 变既励磁发电机 图2 1 交流励磁发电机运行原理 f i g2 1p r i n c i p l eo f a c e g 根据旋转电机机电能量转换条件：对于任何旋转电机，在稳定运行时定、转 子的旋转磁场在空间必须相对静止，才能产生恒定的平均转矩。即： 啦= q + 伤 式中：嘞表示定子旋转磁场在空间的电角速度，对应定子电流频率石； q 表示转予旋转磁场相对转予的电角速度，对应转子电流频率z ； m ：转子旋转的电角速度 当通过定子绕组的电流频率石和转子绕组的电流频率正相等且同相序时，即 石= z ，则必定纯= o ，即转子不动，相当予变压器；若转子电流频率z 石且同 6 重庆大学硕士学位论文 2 交流励磁发电机的励磁控制 相序时，转子旋转的电角速度绝 石时，转子反转 可见当调节送入转子的电流相序和频率时，交流励磁电机可运行在次同步、 同步和超同步状态，也可以运行在反转状态。因此，如果按发电机的转速是否与 同步转速一致来区分异步机或同步机，则交流励磁发电机应当被称为异步机。但 交流励磁发电机在性能上又具有很多同步机的特点例如，异步机是通过定予从 电网吸收无功进行励磁，本身无励磁绕组，而交流励磁发电机与同步发电机一样， 有独立的励磁绕组，既可以从电网吸收也可以向电网输出滞后的无功功率；异步 机的转速随负荷变化而变化，而交流励磁发电机可以与同步发电机一样，在负荷 改变时保存转速不变所以有文献也称交流励磁发电机为异步化同步电机或者双 馈感应发电机。实际上，它是具有异步发电机某些特性的同步发电机。传统同步 发电机采用集中励磁绕组，其励磁电流为直流，只能控制励磁电压幅值来控制励 磁电流的大小由于受静态稳定极限的约束，无法进入深吸无功的运行状态。另 外其转子磁场相对于转子的位置是固定不变的，当进行有功、无功调节时必然伴 随着转予的机械过渡过程；而交流励磁发电机由于其转子励磁绕组为三相对称绕 组，且励磁电压的频率、幅值、相位及相序均为可调，通过改变励磁频率，可改 变电机的转速，达到调速的目的，这样，在负荷突变时，可通过控制励磁频率来 改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负荷，对电网的扰动远比常 规电机小改变转子电流的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位 置上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位置，也就改变 了电机的功率角。所以交流励磁不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率， 如通过调节交流励磁的相位，减小机组的功率角，使机组的运行稳定性提高，可 多吸收无功功率，克服目前由于晚间负荷下降、电网电压过高的不利局面正是 由于交流励磁发电机励磁控制自由度的增加，使其具有超越传统同步发电机的运 行性能其主要优点表现在跚：( 1 ) 良好的稳定性及转速适应能力；( 2 ) 独立的有 功、无功调节能力；( 3 ) 较强的进相运行能力 2 2 交流励磁发电机的数学模型 2 2 1 交流励磁发电机在三相静止坐标轴系下的数学模型 在讨论a c e g 的数学模型时，先选定正方向惯例定、转子绕组均采用电动 机惯例，即向绕组方向看时，电压降的正方向与绕组电流的正方向一致，正值电 流产生正值磁链( 即符合右手螺旋法则) 。由于交流励磁电机是一个多变量、强耦 7 重庆大学硕士学位论文 2 交流励磁发电机的励磁控制 合、非线性的高阶系统，为了便于分析问题，通常作如下的假设。( 1 ) 忽略空间谐 波，设三相绕组对称，在空间中互差1 2 0 - 电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规 律分布；( 2 ) 忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；( 3 ) 忽略铁心 损耗；( 4 ) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响：( 5 ) 如无特别说明，转 子侧的参数都是经过折算到定子侧的参数，折算后的定子和转子绕组匝数相等。 这样，电机绕组就等效成图2 2 所示的a c e g 的物理模型。图中，定子绕组 轴线彳、曰、c 在空间固定；转子绕组轴线口、6 、c 随转子旋转，转子口轴和定 子4 轴间的电角度为转子空间位置角绣。这样，交流励磁电机的在三相静止a b c 坐 标系下的数学模型可描述为： 1 。电压方程 墨0 0 墨 00 00 00 00 图2 2 交流励磁发电机的物理模型 f i g2 2p h y s i c a lm o d e lo f a c e g o000 oo0o 墨0 00 0见00 00见0 000足 + p 1 | f ，雪 其中：，、心、分别为定、转子三相电压瞬时值； 、f c 分别为定、转子三相电流瞬时值； 0 ( 2 1 ) 纵珊比嘶咖比 重庆大学硕士学位论文 2 交流励磁发电机的励磁控制 、分别为定、转子三相绕组的磁链： 墨、母分别为定，转子三相电阻，p 为微分算子e e t 2 磁链方程 阱臣：地 亿2 ， 其中：吼= 【ny 口r 帆= k 缈。r i i = 【 i 鼻 毛r i ，= r “】r l 。= k + 丘 一三k k lk + 露 k i 一三k 一圭k k + 厶 一言k 一三k o + 一三k 弓k k + 厶 一三k k 一三k 一三k k + ic o s 只c o s ( 研- 1 2 0 ) 【s ( b + 1 2 0 4 ) l ，= l 0t 上h ic o s ( o , + 1 2 0 ) c o s o , s ( 讳1 2 0 ) i( 2 3 ) l c o s ( o , 一1 2 0 ) c o s ( b + 1 2 伊) c o s b l 式中：z “是与定子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的定子互感值； ，是与转子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的转子互感值。由于折算 后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可认 为k = k ； 上h 、乓分别为定、转子漏电感 值得注意的是，i - 、i 啊这两个分块矩阵互为转置，且均与转子位置角谚有 关，它们的元素都是变参数，这是系统非线性的一个根源。为了把变参数矩阵转 换成常参数矩阵，必须利用坐标交换 3 转矩方程 9 重庆大学硕士学位论文2 交流励磁发电机的励磁控制 根据机电能量转换原理，可得： 互= 2 1 - - n p i ；等w 等i ，】 ( 2 4 ) 式中e 为发电机的电磁转矩，为电机的极对数。把式( 2 3 ) 代入式( 2 4 ) 并展 开得： z 2 7 _ 吁+ 篓+ 黑咖毋攀+ 碱+ 酬只“2 驴) ( 2 5 ) + ( + 如毛+ 电) 州毋- 1 2 0 ) 】 、 4 运动方程 正一五：；譬+ 旦q + 墨砟 ( 2 6 ) r i p n pn p 式中：乃为风力机提供的拖动转矩； ，为机组的转动惯量； d 为与转速成正比的转矩阻尼系数； 置为扭转弹性转矩系数 通常假定d = 0 ，k = 0 则有： 正一无；譬 ( 2 7 ) n p h 将式( 2 1 ) ，( 2 ，2 ) ，( 2 5 ) 和( 2 7 ) 综合起来，再加上 鳞：华( 2 8 )鳞= u - 便构成了在三相静止a b c 坐标系下a c e g 的数学模型。这是一个非线性、时 变性、强耦合的多变量系统，分析和求解困难，必须通过坐标变换实现简化才能 用于控制 2 2 2 交流励磁发电机在两相同步旋转坐标轴系下的数学模型 利用三相静止到两相同步旋转坐标变换关系嘲，将三相静止a b c 坐标系下 a c e g 数学模型变换到两相同步旋转由坐标系下的a c e g 的数学模型，如图2 3 所示，假定三相绕组中各量均对称，不考虑零轴分量，则两相同步旋转砌坐标系 下的a c e g 的数学模型可表示为如下： 1 0 里鏖奎堂堡主堂垡堡壅 ! 奎亟壁壁垄皇垫竺墅堕丝型 图2 3 两相同步旋转坐标下的a c f _ 珏物理模型 f 塘2 3p h y s i c 柚m o d e lo f a c e gi ns y m h r o n o mf r a m e 爹兰 其中：、分别为定、转子磁链的d 、g 轴分量； 厶为由坐标系下定子与转予同轴等效绕组间的互感，k = 三k ； 上l 为由坐标系下定子等效两相绕组的自感，厶- - i + 厶； 为由坐标系下转子等效两相绕组的自感，= 厶+ 厶 2 电压方程 l o 置0 0 r 00 oo 00 00 见0 0足 + ，q qp 0o o0 o0 0o pq qp 妒一 妒0 式中：、分别为定、转子电压的j 、g 轴分量； 、j 珂、0 、k 分别为定、转子电流的d 、冒轴分量； ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) q = 卿鳞为由坐标系相对于转子的电角速度，即为转差的电角速度。 将磁链方程式( 2 9 ) 代入式( 2 i o ) d p ，可得由坐标系下的电压一电流方程： 重庆大学硕士学位论文2 交流励磁发电机的励磁控制 “时 u , 9 足+ 厶p 咱厶k p 卿厶 峨厶足+ 厶p 吼三一厶p l i p一s l il 【r 七l r p 一i l ， q 上- l p吐三r足+ l , p 3 转矩和运动方程 电磁转矩的表达式为： 疋= 刀，厶拓一如) k k k k ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 运动方程与坐标变换无关，仍为( 2 7 ) 式，所以式( 2 9 ) 、式( 2 1 1 ) 、式( 2 1 2 ) 和式 ( 2 8 ) 构成a c e g 同步旋转由坐标系下的数学模型，其突出特点是，当三相静止坐 标系中的电压和电流是对称正弦交流时，变换到两相同步旋转由坐标系上就成为 直流，十分有利于控制系统的设计与实现。 2 3 交流励磁发电机励磁控制策略 交流励磁发电机励磁控制策略的基本要求是实现有功功率和无功功率的解耦 控制，励磁控制方法的合理设计是交流励磁发电机系统能够具有超越传统同步发 电机优越运行性能的关键本小节首先介绍目前常采用的两种励磁控制策略，然 后再详细分析基于动态同步轴系的双通道励磁控制策略 2 3 1 目前常采用的交流励磁发电机励磁控制策略 对于交流励磁发电机的励磁控制策略，目前已进行了大量的研究，并实现了 发电机变速恒频运行、有功、无功的解耦控制以及原动机最佳效率跟踪运行等基 本性能目前的励磁控制策略主要包括矢量控制”和直接功率控制策略”删等。 交流励磁发电机的矢量控制策略是由交流感应电机矢量控制演变而来，其基 本原理是：根据交流励磁发电机在同步旋转坐标下的数学模型，通过定向于某特 殊位置下的d 轴和g 轴励磁电压分量分别控制发电机d 轴和霉轴的励磁电流，从而 分别控制发电机有功功率以及无功功率以定子磁链定向的矢量控制为例，在定 子磁链定向的条件下，发电机转子电流的d 、q 轴分量分别与发电机定子有功功率 以及无功功率之间存在一一对应的关系，利用发电机转子励磁电压控制转子电流 d 、q 轴分量就可以达到控制发电机定子有功功率以及无功功率的目的矢量控制 器通常采用双闭环结构，内环是相应的转子电流控制环，外环则是定子有功和无 功功率控制环其中内电流环引入了去耦补偿项，以消除转予耦合电流以及发电 机运动电势对转子电流解耦控制的影响。与感应电机矢量控制相似，交流励磁发 电机矢量控制的参考轴系还有其它的选择。例如：定予电压，气隙磁链，转子磁 链等。对于发电机的控制变量，除了定子有功与无功的组合以外还有：电磁转矩( 发 1 2 重庆大学硕士学位论文2 交流励磁发电机的励磁控制 电机转速) + 定子磁链( 定子电压) 的组合等等。矢量控制能够实现变速恒频运行以 及发电机有功、无功的解耦控制，在此基础上可进一步实现原动机最佳效率跟踪 运行，整个系统稳定性高，抗扰动能力强，动态性能良好。然而矢量控制需要对 转子位置进行测量，且除发电机定子电压定向控制以外，还需要对发电机各种磁 链进行估算，控制算法较为复杂 交流励磁发电机的直接功率控制是由感应电机的直接转矩控制演变而来，其 基本原理是：通过适当地控制发电机励磁电压就可以控制转子磁链的相角与幅值， 从而控制发电机定子有功与无功功率。文献e 3 4 详细介绍了该控制方式。该文献 根据对发电机相量图的分析得出以下近似关系：发电机定子有功可以通过控制转 予磁链角( 转子磁链与定子磁链的夹角) 进行控制；发电机定子无功功率则可以通 过控制转子磁链的幅值进行控制类似于感应电机的直接转矩控制，该控制策略 利用两个滞环控制器通过查表生成开关模式，从而产生相应的励磁电压以分别控 制发电机转子磁链的相位和幅值并最终实现发电机定子有功和无功功率的解耦控 制。直接功率控制能实现发电机有功、无功解耦控制，无需位置传感器，控制器 鲁棒性好，控制算法简单当然由于采用了滞环控制器，励磁控制器的调节对发 电机及其系统的冲击可能较大。 2 3 2 基于动态同步坐标轴系双通道解耦的励磁控制策略 动态同步轴系双通道解耦的励磁控制策略是由我教研室提出的一种新型励磁 控制策略，它具有控制模型准确，无需励磁电流反馈、且具有动态跟踪能力快等 优点，能在简化控制算法的基础上达到良好的控制效果。采用动态同步轴系下的 励磁控制模型可以提高交流励磁发电机的动态特性。 动态同步轴系，是在利用参考系理论的基础上提出的一种用于对称电机动态 过程分析的新轴系。动态同步轴系的位置决定于转差率与电机参数，当j = 0 且忽 略定子漏阻抗时，它就与同步轴系重合：当j 0 时，动态同步轴系将和同步轴系 相差一个角度，j 固定不变时，相差的该角度也保持不变；在动态过程中将跟随j 的变化而变化，具有良好的跟踪效果伽 将交流励磁发电机在同步旋转砌坐标下的电压一电流方程式( 2 1 1 ) ，除时间之 外的各变量进行标幺值化，于是得到标幺值表示的电压一电流方程： 重庆大学硕士学位论文2 交流励磁发电机的励磁控制 u , a 一 “耐 一 阿 巩益p q 整p一又 x ip 豆+ 墨p一面 函蘑+ 墨p 啦 k 7 k 7 钿 彳 k ( 2 1 3 ) 式中各量除卿外，均为标幺值。为了表示方便，以下无特殊说明均省略标幺值的 上标 令式( 2 1 3 ) 9 的微分算子p = o ，并假设定子电压综合矢量与d 轴重合，即 = o ，可得交流励磁发电机在由同步旋转坐标轴系下的稳态电压一电流方程： 0 r |一x i x i疑l 0 一媛l 醴0 0 一x 。 x 1 0 k s x r s x 足 式( 2 1 4 ) 写为矩阵形式为： u = z i 写为导纳矩阵，得到电流表达式； i = z - 1 u = y u 即电流、电压方程为： l d l h i z il ： k 托 圪 k 匕 u - 0 u m i d i q 1 日 由式( 2 1 7 ) ，可得到定子d 、q 轴电流分量为： i 乙= 墨l c ，0 + 墨3 ，0 + x u _ 【= 五t + + 匕 而发电机定子输入有功、超前无功在同步轴系下的求解式为： i 墨= l 鸿= 吒 将( 2 1 8 ) 式代a ( 2 1 9 ) 式有： 丑= 墨l u ：，【0 + ( ，j f 【0 + 匕u 一 1 4 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 重庆大学硕士学位论文2 交流励磁发电机的励磁控制 蜴= 艺t + 比+ 匕 ( 2 2 1 ) 式( 2 2 0 、2 1 ) 导纳矩阵中的x 。、托、k 。、匕为： k l = ( 置，砰j 2 + 工：墨j + 足群) i z i = ( - r , x x , s - x , x r , ) z i 匕= 【( z 墨一五霹) j 2 - x r q l l z i ( 2 2 2 ) 匕= 【( z 一五置z 弦+ 以足墨】i z i x ，= 】幺，墨= 一】幺 l z | 。2 n ，2 + z 霹一2 z 五五+ e ) j 2 + 2 砭冠即+ ( 砰+ 霹) p j ( 2 2 3 ) 其中，i z i 表示阻抗矩阵z 的行列式值。 由式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 可知，有功、无功都与同步坐标轴系中转子电压d 轴和g 轴 分量有关，任何转子电压相量的改变都将同时引起发电机定子有功、无功的改变， 若按上述同步坐标轴系建立交流励磁发电机的控制模型，则必须采取其它技术措 施才能实现有功、无功的解耦控制。 作如下变化，将式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 改写成： 丑= 五l 嵋+ 巩瑶+ 瑶+ 嵋 ，隅矗+ 彘赢 4 ， l 瑶+ 瑶u 玉+ u 磊瑶+ 瑶【瑶+ l 瑶jr ，五、 g = e l u 刍+ u 0 瑶+ 瑶( ，刍+ u 焉 岛矗+ 南盎【瑶+ 强批+ 嵋瑶+ 强+ 嵋j 又= 坛，= 一场则有： 厢：属2 可可2 ( 2 2 5 ) 设：丽= 扭+ ( 也) 2 = 】， ( 2 2 6 ) 扛丽i = 以 ( 2 2 7 ) 等= 一静= 蚍 其中，口为定子电压相量( 与c 0 方向重合) 与转子电压相量的相位差。 另：等一玩争= 如最 ( 2 - 2 9 ) 则有功、无功在同步轴系下的求解式( 2 2 4 ) n - j 变换为： 重庆大学硕士学位论文2 交流励磁发电机的励磁控制 日2 x ，粤+ 砜u v o d s + 万( 2 3 0 ) 【q l = 五l u 三，+ 砜以s i n ( a + 占) 、 式( 2 3 0 ) 中的u c o s ( a + ，玑s i n ( a + 回则可以认为是转子励磁电压相量在一 个新的旋转坐标轴系d 尊轴的投影，在稳态运行时占角为仅与转差率s 和电机参数 有关的常数，新坐标轴系仍以同步转速旋转，与原同步坐标轴系由轴相对静止， 其相对位置由艿的大小决定，动态过程中，占的值将随转差率s 的变化而变化。稳 态时，此新轴系d 鼋与原同步轴系的关系如图2 4 所示，当艿为正时，d 轴以d 轴 作起始点沿g 轴到d 轴的方向旋转万角，当万为负时，则正好相反 可 j 秘 既。吣 七7 7 图2 4d - q 轴与d - q 轴之间的关系图 f g2 4s c h e m a t i co f d - q f l j m ea n dd - qf l a m er e l a t i o n s h i p 式( 2 3 0 ) 可进一步写成： 鼻2 苎一擘等 ( 2 3 1 ) iq i = 五。嵋+ 哪 、 式( 2 3 1 ) 表明，交流励磁发电机在稳态运行时有功仅与新的同步轴系的d 轴上 的吒分量有关，而无功仅与窖轴上的比分量有关，因此控制转子励磁电压相量 珥在d 、9 辘上的投影，就可实现交流励磁发电机有功、无功的独立控制，由于 新轴系d 9 1 在空间上的位置与转差率j 有关，在动态过程中，轴系的位置将随着瞬 时转差率j 和电机参数的改变而改变，将该新轴系称为动态同步轴系咖 根据交流励磁发电机动态同步轴系的解耦数学模型，可建立动态同步轴系下 的交流励磁发电机的励磁控制方程： 哆2 吒。，k 丛 ( 2 i u 二一- - v t f ，一+ + k p k q t u + 、3 2 ) 上式分别为交流励磁发电机有功通道、无功通道的控制方程，其中吒、吒分 别为当前运行状态时励磁电压在动态同步轴系一、留轴上需要给出的输出控制分 量，【，二、【分别为当前运行状态励磁电压在动态同步轴系、鼋上的分量 1 6 重获欠攀联圭擎位论文 2 交藏黪戳发电瓿貔聚磁控潮 a 尸为设定有功功率与检测得到的发电机实际有功功率之差，a q 为发电机设 定光功与检测得到发电机实际无功之差，s 为检测得到的发电机躺前转差率和前 一控制周期检测得到的转麓率之差。鬈。、款、墨分剐为反馈系数，对于反馈系 数瓣遮取霹参考文麸【3 羽。 稠羽式( 2 3 1 ) 可玟计舞斑当前运行状态赫磁电压在动态同步辅