基于電力電子技術(shù)的異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著新能源發(fā)電和獨(dú)立電源技術(shù)的發(fā)展，由電力電子變換器控制的異步電機(jī)發(fā)電技術(shù)正在成為國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。
　　 本論文研究了兩種異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，一種是普通籠型異步發(fā)電機(jī)，通過(guò)電力電子變換器輸出直流電壓，變換器對(duì)系統(tǒng)勵(lì)磁無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的同時(shí)也控制著系統(tǒng)的有功功率。另一種是新型的雙定子繞組異步發(fā)電機(jī) (DWIG)，定子上裝有兩套極對(duì)數(shù)相同的繞組，分別稱為功率繞組和控制繞組——功率繞組輸出的三相變頻交流電，通過(guò)二極管整流后輸出直

2、流電壓；控制繞組接電力電子變換器，主要調(diào)節(jié)發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功功率。
　　 第一種籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，采用了新穎的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制(ITC)技術(shù)，具有出色的動(dòng)靜態(tài)性能，且該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)起動(dòng)/發(fā)電的雙功能。第二種DWIG系統(tǒng)只具有發(fā)電功能，它具有如下的特點(diǎn)：(1)功率繞組通過(guò)整流橋向負(fù)載提供直流電，而控制繞組只提供勵(lì)磁功率，變換器容量大大小于系統(tǒng)的額定輸出功率；(2)DWIG能夠在寬變速運(yùn)行過(guò)程中輸出穩(wěn)定的直流電壓；(3)通過(guò)定子兩套繞組匝

3、比的靈活配置，使兩套繞組具有不同的電壓等級(jí)。
　　 變速運(yùn)行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)是本文研究的重點(diǎn)。作為理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)，文章深入分析了各繞組的自感系數(shù)、繞組間的互感系數(shù)以及繞組互漏感等參數(shù)，建立了DWIG發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。
　　 通過(guò)在DWIG的功率繞組側(cè)安裝勵(lì)磁電容器，可以有效的減小控制繞組側(cè)變換器的容量；但寬變速運(yùn)行的DWIG發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其勵(lì)磁電容的選擇應(yīng)該綜合考慮，否則在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)非但不會(huì)減少變換器

4、容量反而會(huì)使其過(guò)大。針對(duì)功率繞組帶整流橋負(fù)載的這類運(yùn)行狀況，本文采用“仿真以理論為參考、實(shí)驗(yàn)以仿真為依據(jù)”的綜合設(shè)計(jì)方法，借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，對(duì)勵(lì)磁電容進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 變速運(yùn)行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)控制策略的研究在國(guó)內(nèi)外尚屬空白。本文從電流型控制和電壓型控制兩個(gè)方面對(duì)變速運(yùn)行的DWIG發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，構(gòu)建了較為完備的DWIG發(fā)電系統(tǒng)的控制策略研究體系。
　　 對(duì)于DWIG的電流型控制，本

5、文提出了基于定子磁場(chǎng)定向的滯環(huán)電流控制策略，其特征是經(jīng)過(guò)電流環(huán)對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)電路參數(shù)和控制器參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，在作者開(kāi)發(fā)的一臺(tái)18kW/270V DWIG的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)的寬轉(zhuǎn)速(4000rpm~8000rpm)全負(fù)載運(yùn)行。針對(duì)數(shù)字滯環(huán)控制策略中開(kāi)關(guān)頻率不固定、濾波電感感值大的不足，將SVM引入替代數(shù)字滯環(huán)控制器，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，SVM控制下的DWIG發(fā)電系統(tǒng)不僅降低了濾波電感值，而且提高了發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能

6、品質(zhì)。
　　 對(duì)于DWIG的電壓型控制，本文提出了DWIG發(fā)電系統(tǒng)的直接功率控制(DPC)技術(shù)，其特征是根據(jù)輸出電壓的狀況和控制繞組磁鏈?zhǔn)噶康南辔恍畔?，選擇最優(yōu)的基本電壓空間矢量作用到控制繞組上去，以對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行直接控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)壓。DPC實(shí)現(xiàn)了SEC三相橋臂間的關(guān)聯(lián)控制，避免了各相獨(dú)立控制中的無(wú)效開(kāi)關(guān)過(guò)程及電流的失控現(xiàn)象，從而提高了電壓輸出的動(dòng)態(tài)性能。它無(wú)需復(fù)雜的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換、沒(méi)有電流環(huán)和PWM調(diào)制模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)

7、方便、物理概念清晰，以簡(jiǎn)潔的硬件結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)短的軟件開(kāi)銷獲得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。
　　 對(duì)獨(dú)立電源系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了相應(yīng)的針對(duì)性研究。針對(duì)現(xiàn)役飛機(jī)、坦克戰(zhàn)車等低壓大電流獨(dú)立電源系統(tǒng)，本文充分利用了DWIG發(fā)電系統(tǒng)兩套定子繞組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)提高控制繞組電壓等級(jí)，在控制繞組側(cè)形成了高電壓小電流的新型無(wú)刷交流勵(lì)磁控制系統(tǒng)，有效的降低了系統(tǒng)的成本和體積，使DWIG的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更為凸顯。用經(jīng)過(guò)前文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的電流滯環(huán)控制策略，對(duì)該低

8、壓中功率DWIG發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行能力進(jìn)行了研究，證明了該DWIG發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制側(cè)小電流調(diào)節(jié)功率側(cè)大電流輸出的正確性和有效性。
　　 針對(duì)風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用，本文構(gòu)建了基于DWIG的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，研究了不同風(fēng)速下的DWIG風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制，對(duì)適用于DWIG風(fēng)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能追蹤控制技術(shù)進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證。為通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，針對(duì)風(fēng)電的轉(zhuǎn)速和電壓要求，重新設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)20kW DWIG原理樣機(jī)，采用了前文提出的電流滯環(huán)控