寬轉(zhuǎn)速運行的定子雙繞組感應(yīng)電機發(fā)電系統(tǒng)電壓控制策略

寬轉(zhuǎn)速運行的定子雙繞組感應(yīng)電機發(fā)電系統(tǒng)電壓控制策略

0交流側(cè)平波電壓控制三大傳感器（尤其是鼠籠式傳感器）因其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護方便等優(yōu)點，越來越成為能源等可支配能源發(fā)電、飛機、坦克、坦克等獨立能源系統(tǒng)的重要選擇。電力電子變換器控制的感應(yīng)電機發(fā)電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，電源輸出品質(zhì)大大提高。變換器與負載串聯(lián)的感應(yīng)電機發(fā)電系統(tǒng)，原動機轉(zhuǎn)速運行范圍較大、動態(tài)響應(yīng)快，但所有功率均需通過變換器，使變換器容量、體積均較大。變換器與負載并聯(lián)的感應(yīng)電機發(fā)電系統(tǒng)，其優(yōu)點是變換器只需提供勵磁無功，變換器容量較??；但需要在變換器和負載間串入隔離電感，增大了控制器體積和重量，且系統(tǒng)動態(tài)過程的過渡時間較長；由于變換器與負載有電氣連接，變換器開關(guān)產(chǎn)生的諧波會影響電源輸出品質(zhì)。這些問題在一定程度上制約了三相感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)在上述領(lǐng)域中的發(fā)展。為了有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，減小變換器容量，同時減小或消除變換器產(chǎn)生的諧波對負載的影響，文獻先后提出了定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)，該電機在定子上安裝極對數(shù)相同的2套繞組，兩者僅通過磁場耦合，使變換器開關(guān)產(chǎn)生的諧波對負載的影響減小，而且可實現(xiàn)高性能控制；依靠控制繞組的漏電感，可以減小甚至省略變換器交流側(cè)平波電感。文獻采用基于控制繞組端電壓定向的系統(tǒng)電壓控制策略，對發(fā)電機轉(zhuǎn)速恒定或基本不變的運行狀態(tài)進行大量的研究并取得良好的控制效果；但未進一步對變速范圍內(nèi)的控制方法進行探討。文獻研究了變速運行發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法，但未涉及該系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)機理及其控制策略。在飛機、坦克戰(zhàn)車等獨立供電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機會在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行，電機內(nèi)部磁場的變化較為復(fù)雜，若不能對其進行有效的控制，會使發(fā)電系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行，因此研究DWIG發(fā)電系統(tǒng)在變速運行過程中的電壓控制技術(shù)，建立變速運行的發(fā)電系統(tǒng)電壓控制理論，對充分發(fā)揮該新型電機結(jié)構(gòu)特點、拓展其應(yīng)用范圍具有重要意義。磁鏈?zhǔn)锹?lián)系定子兩套繞組的唯一變量，本文基于控制繞組磁鏈定向，應(yīng)用瞬時功率理論，分析了變速運行DWIG發(fā)電系統(tǒng)的電壓控制機理，并據(jù)此提出相應(yīng)控制策略。通過對DWIG發(fā)電系統(tǒng)的初始建壓、變速運行和突加突卸負載等典型運行狀態(tài)的仿真和實驗研究，證明了該理論分析和控制策略的有效性。1dwig數(shù)學(xué)模型圖1為DWIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。DWIG轉(zhuǎn)子為標(biāo)準(zhǔn)鼠籠型結(jié)構(gòu)，沒有滑環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用；定子上放置兩套繞組，一套為功率繞組，連接勵磁電容器和整流橋負載；另一套為勵磁繞組，接靜止勵磁控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機內(nèi)部磁場。2套繞組極對數(shù)相同，因而兩者的工作頻率也相同；它們在電氣上沒有連接，只通過電機內(nèi)部磁場關(guān)聯(lián)。為了簡化分析，忽略DWIG內(nèi)部的磁滯損耗和渦流損耗，按照電動機慣例得出DWIG數(shù)學(xué)模型。電壓方程為磁鏈方程為由此可以得到圖2所示的定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機d-q等效電路圖。下標(biāo)p、s、r分別表示功率繞組、控制繞組和等效轉(zhuǎn)子繞組的參數(shù)；d/dt為微分算子；u、i、ψ分別表示電壓、電流和磁鏈?zhǔn)噶?；?、ω2分別為同步角頻率和轉(zhuǎn)差角頻率；Lm為定子與轉(zhuǎn)子間的互感；Lps為功率繞組和控制繞組的互漏感；Lp、Ls、Lr分別為功率繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子的自感，它們分別是：Lp=Llp+Lps+Lm,Ls=Lls+Lps+Lm,rlrmL=L+L。2dwig發(fā)電系統(tǒng)的電壓控制機制是可變的2.1按控制功率變換的dwig等數(shù)學(xué)模型功率繞組電壓的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)磁調(diào)壓方式實現(xiàn)，然而功率繞組與控制繞組沒有電氣連接，僅以磁場耦合，由于2套繞組共享同一磁場，因此可以通過控制繞組匝鏈磁場的調(diào)節(jié)以達到控制功率繞組電壓的目的。本文基于控制繞組磁鏈定向，運用瞬時功率理論分析了DWIG發(fā)電系統(tǒng)中瞬時功率與轉(zhuǎn)速、磁鏈、控制繞組電流以及系統(tǒng)電壓的關(guān)系，并由此推出了變速運行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)電壓控制機理?？刂评@組反電勢為式中：e為控制繞組反電勢矢量；ψs為ψs的幅值。按ψs定向，則定義ed、eq分別為變壓器電勢和旋轉(zhuǎn)電勢，如圖3所示，圖中θ為ψs在靜止坐標(biāo)系中的相角。根據(jù)瞬時功率理論，可以得到在按控制繞組磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，控制側(cè)瞬時有功功率和無功功率為式中：p和q分別為控制繞組瞬時有功功率和瞬時無功功率；i為控制繞組電流矢量；id、iq分別為i在ψs所在軸線及其法線的投影。控制磁鏈幅值ψs保持恒定，則有ed=dψs/dt=0，因此式(4)和式(5)可以分別簡化為由式(6)和(7)進一步可得由此可見，發(fā)電機系統(tǒng)在任意轉(zhuǎn)速運行時，調(diào)節(jié)控制繞組電流id、iq便可控制瞬時功率，即：id→q,iq→p。根據(jù)文獻的推導(dǎo)可知，感應(yīng)電機在按定子磁場定向時存在如下關(guān)系式中：τr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；σs為控制繞組漏磁系數(shù)；np為極對數(shù)；Tems為控制繞組電磁轉(zhuǎn)矩。將式(6)代入式(11)可得當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，式(9)和式(10)可分別化簡為聯(lián)立式(13)和(14)可解出id進一步由式(15)和(7)，可得電磁轉(zhuǎn)矩是機電能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵物理量，式(12)表明，通過對有功功率的適當(dāng)調(diào)節(jié)，即使在轉(zhuǎn)速變化過程中，也能對電磁轉(zhuǎn)矩進行控制。DWIG起動時需要外界提供勵磁以建立內(nèi)部磁場；當(dāng)DWIG在額定轉(zhuǎn)速以上寬范圍運行時，發(fā)電機處于恒功率弱磁狀態(tài)，但功率繞組所接的勵磁電容提供的勵磁功率會隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，反而使發(fā)電機磁路飽和、電壓升高，若不加控制將導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行。式(16)表明，通過調(diào)節(jié)控制繞組瞬時無功功率，可以在不同轉(zhuǎn)速運行時對電機內(nèi)部磁場實施控制，使系統(tǒng)穩(wěn)定。綜上可得：變速運行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)，通過對控制繞組電流在控制繞組磁鏈及其法線上的分量的調(diào)節(jié)，以達到轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，即：id→q→ψs,iq→p→Tems。2.2交流轉(zhuǎn)化功率wdp控制功率繞組整流橋直流側(cè)母線電壓為式中Uph、N、Kw、ψp、f1分別為功率繞組相電壓、功率繞組匝數(shù)、繞組系數(shù)、功率繞組磁鏈和同步頻率。由于DWIG定子上2套繞組極對數(shù)相同、匝鏈同一磁場，因此調(diào)節(jié)控制繞組磁鏈就可以控制功率繞組磁鏈ψp，進而控制UpDC。DWIG系統(tǒng)的SEC直流側(cè)采用直流電容器作為儲能環(huán)節(jié)，在SEC工作時由于線路電阻、開關(guān)損耗，會引起直流側(cè)電容電壓UsDC波動，影響SEC正常工作，故需對UsDC進行控制。為了便于分析，用等效電阻RE表示線路電阻和開關(guān)損耗，如圖1虛線部分所示?？刂苽?cè)等效電阻RE上消耗的功率為因此由式(19)可知即便在變速運行時，通過改變控制繞組電磁轉(zhuǎn)矩Tems也能實現(xiàn)控制側(cè)直流母線電壓UsDC的調(diào)節(jié)。綜上可得如下關(guān)系：因此，調(diào)節(jié)控制繞組電流在控制繞組磁鏈及其法線上的分量id和iq，就能實現(xiàn)DWIG發(fā)電系統(tǒng)在變速運行過程中系統(tǒng)電壓的控制。3dwig電源系統(tǒng)的控制策略3.1控制鏈下磁鏈幅值衰減和相電流量計算由式(3)可得控制繞組磁鏈?zhǔn)噶吭趶?fù)數(shù)域的計算式式中：ψs的幅值為ψs=e/ω1，相角為θ=∠e-90;e為e的幅值；∠e為e的相角。由于純積分環(huán)節(jié)1/s的存在，將會使磁鏈觀測器因檢測通道中微小的直流偏置而飽和,從而造成磁鏈觀測的錯誤。引入高通濾波器可以消除反電勢中的直流分量，則磁鏈ψs可寫為式中：ωc為截止頻率；ψs′為引入高通濾波器后的控制繞組磁鏈。將式(21)中積分環(huán)節(jié)與高通濾波器合并，得到一階低通濾波器(lowpassfilter,LPF)磁鏈觀測器當(dāng)時有此時LPF定子磁鏈器的誤差可以忽略。當(dāng)上述條件不滿足時，該方法會明顯地引起磁鏈幅值衰減和磁鏈相位超前。值得一提的是，飛機、坦克戰(zhàn)車等獨立供電系統(tǒng)中，發(fā)電機一般在幾千轉(zhuǎn)/分鐘范圍內(nèi)運行，因此基于LPF的定子磁鏈觀測器的磁鏈觀測誤差幾乎可以忽略?？刂评@組磁鏈在靜止坐標(biāo)系中的α-β分量為式中usα、usβ、iα、iβ分別為控制繞組相電壓矢量和相電流矢量在靜止坐標(biāo)系中的α-β分量。磁鏈幅值ψs和相角為3.2發(fā)電機c和usc的數(shù)學(xué)模型UpDC在不同運行工況下保持恒定是系統(tǒng)的控制目標(biāo)；UsDC保持不變是變換器正常工作的重要條件。為了調(diào)節(jié)定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機兩側(cè)電壓UpDC和UsDC，將兩者分別與參考電壓比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后得到給定電流，按控制繞組磁場定向，由式(27)得到控制繞組給定電流給定電流i*與控制繞組實測電流i的差值送入兩態(tài)數(shù)字滯環(huán)比較器，得到開關(guān)信號SA、SB和SC。變換器由PWM信號控制，在其交流側(cè)形成幅相受控的電壓矢量U，該電壓與e共同作用于交流側(cè)電感上，使控制繞組實際電流跟蹤給定值，從而調(diào)整發(fā)電機系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下瞬時功率的平衡，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。4仿真結(jié)果與分析本文對圖4所示的控制策略進行了仿真研究。在Matlab/simulink中構(gòu)建了包括DWIG和SEC在內(nèi)的整個系統(tǒng)的仿真模型，仿真系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)實驗室研制的18kW原理樣機設(shè)定為：自勵電容按圖4所示接成三角形，C為50μF(每相為150μF)；功率繞組整流橋直流側(cè)額定電壓UpDC為270V。整流橋直流側(cè)電容CpDC為1100μF/450V;SEC直流側(cè)電容CsDC為1100μF/900V，控制繞組直流側(cè)電壓UsDC設(shè)定為580V，其他參數(shù)見附錄A。圖5給出了系統(tǒng)仿真研究結(jié)果。需要說明的是考慮到寬變速過程中勵磁電容對于變換器容量的優(yōu)化所起地作用，本文選取了較小的容值，這將導(dǎo)致發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速運行時，無法單純依靠勵磁電容實現(xiàn)自勵建壓，本文采用SEC與勵磁電容共同激磁的方法進行系統(tǒng)建壓，其具體的方法是：發(fā)電機以額定轉(zhuǎn)速4000r/min運行，控制SEC產(chǎn)生一低于電機轉(zhuǎn)速的同步旋轉(zhuǎn)磁場，使發(fā)電機處于超同步發(fā)電狀態(tài)，控制側(cè)和功率側(cè)電壓因此而增長；當(dāng)控制側(cè)電壓增長到一定值后切換到圖4所示的閉環(huán)控制策略，使系統(tǒng)電壓UpDC和UsDC達到各自給定值。0.6s時發(fā)電機以恒定加速度升速，1.6s時轉(zhuǎn)速達到8000r/min，此后保持發(fā)電機以該速度運行，如圖5(a)所示；圖5(b)為系統(tǒng)電壓；圖5(c)為整個仿真過程中的控制繞組磁鏈幅值ψsα的變化軌跡。仿真結(jié)果說明，按控制繞組磁場ψs定向，可以實現(xiàn)系統(tǒng)起動建壓、和寬范圍變速運行；在系統(tǒng)運行的每個階段，DWIG發(fā)電系統(tǒng)都得到有效控制，系統(tǒng)電壓UpDC和UsDC保持穩(wěn)定?；诳刂撇呗缘睦碚摲治龊陀嬎銠C仿真研究，在本實驗室研制18kW的原理樣機上進行了實驗驗證，圖6為系統(tǒng)實驗框圖。選用IPM為SEC的開關(guān)器件，采用兩態(tài)數(shù)字滯環(huán)的調(diào)制方式產(chǎn)生PWM波形；使用dSPACE構(gòu)建控制器的快速控制原型。圖7為按照前述的方法進行系統(tǒng)建壓實驗：圖7(a)和(b)分別為UpDC、UsDC和磁鏈ψsα的建立波形；由此可以看到系統(tǒng)電壓伴隨著控制繞組磁鏈從無到有的增長過程。圖8(a)為發(fā)電機輕載(功率繞組帶1%額定負載)時轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速4000r/min開始以恒定加速度上升到8000r/min過程中的電壓波形。圖8(b)為該過程中磁鏈ψsα的波形；可以看出變速運行控制中，發(fā)電機控制繞組磁鏈得到有效控制，磁鏈隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的上升而下降，而在整個變速過程中系統(tǒng)電壓UpDC和UsDC保持穩(wěn)定。圖9為發(fā)電機系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速4000r/min運行時突加突卸負載的實驗波形。圖9(a)為發(fā)電機從1%額定負載突加到80%額定負載過程中系統(tǒng)電壓波形，UpDC的恢復(fù)時間為30ms，電壓最大波動為35V；圖9(c)為突加負載前后控制繞組電流ia的波形。圖9(b)為發(fā)電機功率繞組從80%額定負載突卸至1%額定負載過程中系統(tǒng)電壓波形，UpDC的恢復(fù)時間為60ms，最大電壓波動為40V；圖9(d)為突卸前后控制繞組電流ia的波形。從該實驗結(jié)果可以看出，突加突卸負載過程中功率繞組電壓UpDC得到有效的控制，且具有良好的過渡過程。5控制功率兩組功率的定值本文基于控制繞組磁鏈定向，應(yīng)用瞬時功率理論分析了DWIG發(fā)電系統(tǒng)中瞬時功率與轉(zhuǎn)速、磁鏈、控制繞組電流以及系統(tǒng)電壓的關(guān)系，并由此推出了變速運行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)電壓控制機理。分析指出DWIG發(fā)電系統(tǒng)在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行時，要保證功率側(cè)直流母線電壓恒定必須實時調(diào)節(jié)控制繞組磁場；為了使SEC能正常工作