基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制的定子雙繞組異步電機(jī)變頻交流發(fā)電系統(tǒng)

卜飛飛 黃文新 胡育文 史經(jīng)奎 施 凱

（南京航空航天大學(xué)江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210016）

1 引言

隨著多電/全電飛機(jī)、坦克的發(fā)展，機(jī)載、車載中的電子設(shè)備和電力作動(dòng)器不斷增加，并對電源系統(tǒng)提出了大容量、高性能等新要求。從目前的研究來看，除高壓直流電源系統(tǒng)外，變頻交流電源系統(tǒng)也是一個(gè)重要發(fā)展方向，如最新的大型民用客機(jī)B787 和A380 均采用了變頻交流電源系統(tǒng)[1,2]。

在變頻交流電源系統(tǒng)中，由于要輸出正弦交流電，目前國內(nèi)外主要采用同步電機(jī)作為其主發(fā)電機(jī)，對其他類型發(fā)電機(jī)則研究較少[3]。盡管同步電機(jī)在變頻交流電源系統(tǒng)中已得到了實(shí)際應(yīng)用，且技術(shù)成熟、穩(wěn)態(tài)性能較好，但該發(fā)電系統(tǒng)也存在一些不足。例如，為實(shí)現(xiàn)無刷化，發(fā)電機(jī)采用了“永磁機(jī)—?jiǎng)?lì)磁機(jī)—主發(fā)電機(jī)”這種復(fù)雜的三級式結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子上裝有旋轉(zhuǎn)整流器，使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響系統(tǒng)可靠性，不宜高速運(yùn)行；電機(jī)的體積重量較大；電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)包括勵(lì)磁機(jī)、主發(fā)電機(jī)、電壓調(diào)節(jié)器等多個(gè)環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)性能不理想[3-5]。

籠型異步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)越來越成為機(jī)載、車載獨(dú)立電源系統(tǒng)的重要選擇[6]，特別是近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，三相異步電機(jī)的發(fā)電品質(zhì)和性能得到了大幅提高，因而它備受青睞[7]，但這些研究主要是針對恒頻交流或高壓直流電源系統(tǒng)而開展的，未涉及變頻交流電源系統(tǒng)。此外，在這類發(fā)電系統(tǒng)中，存在電力電子裝置體積重量較大，給負(fù)載引入諧波等問題，這使得三相異步電機(jī)在上述領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展受到了一定限制[6-8]。

定子雙繞組異步電機(jī)（DWIG）是21 世紀(jì)初提出的一種新型籠型異步電機(jī)，它繼承了普通籠型異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，克服了其缺點(diǎn)和不足，以獨(dú)特結(jié)構(gòu)和諸多優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注[9-18]。該發(fā)電機(jī)的定子上有兩套繞組，它們在電氣上沒有直接連接，僅通過磁場耦合，功能分開，易實(shí)現(xiàn)高性能控制，可直接輸出變頻交流或經(jīng)整流輸出高壓直流，能變速變負(fù)載運(yùn)行，且控制器容量較小。因此，它很適合應(yīng)用于高性能的獨(dú)立電源系統(tǒng)中。然而，目前對該電機(jī)的研究主要集中于高壓直流電源系統(tǒng)[10-18]，有必要對其進(jìn)行新的探索和研究。為拓展該發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍并發(fā)揮其優(yōu)勢，本文提出研究DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)，以適應(yīng)大容量、高性能機(jī)載、車載獨(dú)立電源系統(tǒng)的供電要求和發(fā)展趨勢。

DWIG的發(fā)電品質(zhì)和運(yùn)行性能很大程度上取決于所采用的控制策略。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料來看，DWIG 系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)主要是基于“調(diào)磁調(diào)壓”的思想來實(shí)現(xiàn)的，它根據(jù)輸出電壓的誤差，通過磁場定向或電壓定向的方法，利用電流環(huán)來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，進(jìn)而改變發(fā)電機(jī)的內(nèi)部磁場，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的[9-13,16-18]。由于電機(jī)勵(lì)磁電感一般較大，再加上只利用了輸出電壓的誤差，因此，這類以電流環(huán)為基礎(chǔ)的控制策略雖可使系統(tǒng)在變速變負(fù)載時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，但很難實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。

本文基于功率平衡的思想，對DWIG 系統(tǒng)輸出電壓變化的原因進(jìn)行了分析，提出了基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制的DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)電壓控制策略。該策略省去了復(fù)雜的坐標(biāo)變換和影響動(dòng)態(tài)性能的電流環(huán)，它綜合考慮輸出電壓和輸出電流二者的變化信息，利用電壓矢量來控制DWIG的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率，以改變發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入輸出功率平衡，從而使發(fā)電系統(tǒng)在不同的運(yùn)行狀況下都能保持良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

2 DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)

圖1 為本文所提出的DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)，它由原動(dòng)機(jī)、DWIG、變換器、濾波器、負(fù)載等組成。該發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子仍為籠型結(jié)構(gòu)，其定子上布置了兩套繞組，一套為三相功率繞組，接有輸出濾波器，可直接為照明、加熱等對頻率不敏感的交流負(fù)載及整流性負(fù)載提供電能，對頻率敏感的負(fù)載（如電機(jī)，電力作動(dòng)器等）可通過電力電子變換器供電；另一套為三相控制繞組，接有濾波電感和變換器，采用合適的控制策略，可使該發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓保持穩(wěn)定。兩套定子繞組的極對數(shù)相同，因而它們具有相同的工作頻率。同時(shí)，由于兩套繞組只有磁場耦合，沒有電氣連接，所以變換器產(chǎn)生的諧波對負(fù)載的影響較小，提高了系統(tǒng)的電磁兼容性和效率，便于實(shí)現(xiàn)高性能的控制和輸出高品質(zhì)的電能[10-12]。在該發(fā)電系統(tǒng)中，除功率繞組輸出變頻交流電能外，控制繞組側(cè)直流母線還可提供高壓直流電能，實(shí)現(xiàn)交直流同時(shí)供電，易構(gòu)成混合電源系統(tǒng)。

圖1 定子雙繞組異步電機(jī)變頻交流發(fā)電系統(tǒng)框圖Fig.1 The diagram of dual stator-wingding induction generator variable frequency AC generation system

3 DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制策略及實(shí)現(xiàn)

在發(fā)電系統(tǒng)中，輸出電壓發(fā)生變化的根本原因是系統(tǒng)發(fā)出的電磁功率與負(fù)載實(shí)際需求的電功率不平衡[19]，若發(fā)出的電磁功率大于所需的電功率，輸出電壓就會上升，反之則會下降。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行狀況發(fā)生變化時(shí)，尤其是負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，若能快速實(shí)現(xiàn)功率平衡，就可保證輸出電壓穩(wěn)定，從而從本質(zhì)上提升發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

3.1 瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制方法

轉(zhuǎn)速和負(fù)載的變化都會造成輸出電壓的變化，轉(zhuǎn)速變化一般較慢，而負(fù)載變化很快，可突變。若對于劇烈的負(fù)載變化系統(tǒng)能保持輸出電壓穩(wěn)定，那么相對于緩慢的轉(zhuǎn)速變化則更能勝任。因此，本文著重對負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的控制方法進(jìn)行研究。

若不計(jì)發(fā)電系統(tǒng)的損耗，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，由機(jī)械功率轉(zhuǎn)化的電磁功率在任何瞬時(shí)都應(yīng)與負(fù)載消耗的電功率相平衡。即有

式中Te—電磁轉(zhuǎn)矩；

ωr—電機(jī)轉(zhuǎn)速，由于機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于

電氣時(shí)間常數(shù)，在分析電磁過程時(shí)，

ωr可視為常數(shù)；

Pout—負(fù)載消耗的電功率。

當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，輸出電流則迅速變化，負(fù)載功率也隨之變化。根據(jù)式（1），若要保持輸出電壓穩(wěn)定且具有良好的動(dòng)態(tài)性能，電磁轉(zhuǎn)矩的變化應(yīng)快速跟上輸出功率的變化且與其保持正比，即

在異步電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與其轉(zhuǎn)差頻率是息息相關(guān)的。若氣隙磁通的幅值φm保持不變，在轉(zhuǎn)差頻率ωs不大于最大轉(zhuǎn)差頻率ωsmax的穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率近似成正比[20-23]。

根據(jù)式（3），只有氣隙磁通的幅值保持不變，上述結(jié)論才成立，這既是瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制的前提，也是其限制條件[20-23]。對于發(fā)電系統(tǒng)，輸出電壓保持穩(wěn)定且系統(tǒng)能輸出額定功率是其重要目標(biāo)，發(fā)電機(jī)常工作于額定轉(zhuǎn)速之上的恒功率區(qū)。由于發(fā)電機(jī)輸出電壓的大小與氣隙磁通幅值近似正成正比，因此，在恒功率區(qū)，氣隙磁通幅值需隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，以進(jìn)行弱磁控制，那么對于由傳統(tǒng)異步電機(jī)或新型DWIG 構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)而言，能否采用轉(zhuǎn)差頻率控制？

獨(dú)立電源系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速經(jīng)常變化，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之變化，氣隙磁通的幅值也應(yīng)相應(yīng)變化。但整個(gè)系統(tǒng)的慣量較大，轉(zhuǎn)速變化是一個(gè)機(jī)械過程，變化緩慢，時(shí)間常數(shù)較大。而發(fā)電系統(tǒng)控制的是輸出電壓和功率，是電氣過程，變化迅速，時(shí)間常數(shù)很小。因此，在電氣控制周期內(nèi)（如100μs），轉(zhuǎn)速可認(rèn)為是不變的，自然氣隙磁通的幅值也就不需要改變，即滿足式（3）的限制條件。

上述分析可知，對于異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)而言，由于機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間常數(shù)，所以隨轉(zhuǎn)速變化而進(jìn)行的弱磁控制與瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制要求的氣隙磁通幅值保持恒定并不矛盾。因此，對于DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)中，可以采用瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制。圖2 給出了本文研究的DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制方法的示意圖。當(dāng)轉(zhuǎn)速或負(fù)載發(fā)生變化，控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載電功率的變化，迅速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差頻率的大小，以對電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)速變化合理調(diào)節(jié)氣隙磁通的幅值，從而保持輸出電壓穩(wěn)定。

圖2 DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率 控制方法示意圖Fig.2 The method of instantaneous slip frequency control for DWIG variable frequency AC system

3.2 瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制的實(shí)現(xiàn)

瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制的關(guān)鍵是系統(tǒng)運(yùn)行于不同工況時(shí)轉(zhuǎn)差頻率和氣隙磁通的合理調(diào)節(jié)。若在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，可以通過控制所施加在定子繞組上的電壓頻率和幅值來實(shí)現(xiàn)。但對于DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)，三相變頻交流電壓直接從DWIG的功率繞組輸出，這樣調(diào)速系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法就不再適用，那么在該發(fā)電系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制是一個(gè)新穎而現(xiàn)實(shí)的問題。

DWIG 有兩套定子繞組，一套為功率繞組，用來輸出電能，另一套為控制繞組，接有電力電子變換器，用來對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制。這兩套繞組具有相同的極對數(shù)且匝鏈同一磁場，通過改變控制繞組磁通即可調(diào)節(jié)功率繞組的磁通[10-18]。此外。對于電感而言，它的電流不可突變，但電壓卻可以。因此，在DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)中，利用變換器來調(diào)節(jié)施加在控制繞組上的電壓頻率和幅值，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)差頻率的快速調(diào)節(jié)和功率繞組磁通的合理控制。

3.2.1 變換器輸出電壓頻率的確定

由式（2）和式（3）可知，當(dāng)負(fù)載突變，為了保證輸出電壓調(diào)節(jié)的快速性，應(yīng)根據(jù)負(fù)載功率的大小迅速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差頻率，本文采用了P 調(diào)節(jié)器作為瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率前饋控制?？刂苽?cè)直流母線電壓穩(wěn)定是變換器正常工作的必要條件，為克服變換器等器件損耗所造成的直流母線電壓的變化，直流母線電壓的誤差也用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差頻率，采用的是PI 調(diào)節(jié)器。因此，轉(zhuǎn)差頻率的給定可由下式來表示

式中，P(x)=kpx；PI(x,y)=kp(x-y)+ki∫(x-y)dt；

Pout—實(shí)際負(fù)載功率，可由功率側(cè)三相電壓和電流瞬時(shí)值的乘積得到，即Pout=upaipa+upbipb+upcipc。

當(dāng)氣隙磁場轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速且同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，異步電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。所以，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減去轉(zhuǎn)差頻率即可得到變換器應(yīng)輸出電壓的頻率ω*，即

3.2.2 變換器輸出電壓幅值的確定

因此，從提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力入手，整合信息化教學(xué)手段，是提高課堂教學(xué)效果的最佳途徑和方法，同時(shí)在實(shí)施過程中也面臨著諸多困難與挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代信息化手段如何與課堂教學(xué)完美融合來提升教學(xué)效果，進(jìn)而提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，必將是教師工作者努力探索的方向和目標(biāo)。

由于本發(fā)電系統(tǒng)工作在額定轉(zhuǎn)速之上的恒功率區(qū)，根據(jù)異步電機(jī)基本原理，變換器輸出電壓的幅值應(yīng)保持恒定以實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但考慮到損耗、計(jì)算誤差、發(fā)電機(jī)漏感及控制側(cè)濾波電感上的壓降等因素對輸出電壓調(diào)節(jié)精度的影響，輸出電壓的誤差也用來對變換器輸出電壓的幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，故變換器輸出電壓幅值的給定值V*可表示為

式中，V是根據(jù)兩套繞組之間的匝比關(guān)系N而確定的變換器輸出電壓幅值的基礎(chǔ)值，即。

3.2.3 變換器輸出電壓的調(diào)制策略

當(dāng)變換器輸出電壓的頻率和幅值確定后，再利用合適的調(diào)制策略產(chǎn)生控制信號去驅(qū)動(dòng)變換器，即可得到相對應(yīng)的輸出電壓，通常采用的調(diào)制策略有正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）和空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）。

基于上述分析，給出了DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制策略框圖，如圖3 所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖 3 所示的控制策略框圖，研制了一臺15kW 車載取力DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主要包括系統(tǒng)建壓和關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)以及變速運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。變換器由Mitsubish IPM 模塊構(gòu)成，處理器選擇的是Freescale公司的MC56F8346 DSP，系統(tǒng)控制周期為100μs，調(diào)制策略為SPWM。發(fā)電機(jī)由1∶3的增速齒輪箱拖動(dòng)，轉(zhuǎn)速范圍為2 700～8 100r/min。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由測速傳感器獲得。輸出濾波器由LC 組成，負(fù)載 為三相對稱阻性負(fù)載?？刂苽?cè)直流母線電容為1 100μF/DC 500V，控制側(cè)濾波電感為0.75mH，蓄電池電壓為24V。該發(fā)電系統(tǒng)的其他主要參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)極對數(shù)為2；額定功率為15kW；額定轉(zhuǎn)速為2 700r/min；轉(zhuǎn)速范圍為1∶3；額定輸出電壓為AC 380V（90～270Hz）；控制側(cè)直流母線電壓為 DC 400V。功率繞組與控制繞組匝數(shù)比N=2∶1。

圖3 DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制策略框圖Fig.3 The diagram of instantaneous slip frequency control strategy for DWIG variable frequency AC system

4.1 系統(tǒng)建壓和關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)

能否成功建壓是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提，本發(fā)電系統(tǒng)建壓由開環(huán)和閉環(huán)兩個(gè)階段完成，首先是開環(huán)建壓，采用SPWM調(diào)制策略對變換器進(jìn)行控制，由安裝在控制側(cè)的24V蓄電池通過變換器產(chǎn)生一個(gè)頻率低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的電壓，為發(fā)電機(jī)提供初始勵(lì)磁無功，DWIG立即進(jìn)入超同步發(fā)電狀態(tài)，控制側(cè)直流母線電壓上升，當(dāng)其上升到閉環(huán)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)切換到圖3所示閉環(huán)控制進(jìn)行閉環(huán)建壓，為了避免沖擊，保證建壓成功，電壓給定值按斜坡方式逐步上升，這樣功率繞組輸出的三相變頻交流電壓和控制側(cè)直流母線電壓隨之上升至給定值，系統(tǒng)建壓結(jié)束。類似地，為保證系統(tǒng)可靠關(guān)機(jī)，斜坡給定方式也應(yīng)用于關(guān)機(jī)過程中。圖4給出了系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速2 700r/min時(shí)空載建壓和關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)波形，可見，該發(fā) 電系統(tǒng)能成功可靠地建壓和關(guān)機(jī)，各電流、電壓均無沖擊和超調(diào)。

圖4 轉(zhuǎn)速為2 700r/min時(shí)系統(tǒng)建壓和關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results for the voltage setup and closedown at the speed of 2 700r/min

4.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

圖5 和圖6 為DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)在瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 轉(zhuǎn)速為3 000r/min時(shí)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results for the steady state at the speed of 3 000r/min

圖6 轉(zhuǎn)速為7 500r/min時(shí)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results for the steady state at the speed of 7 500r/min

4.3 動(dòng)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

當(dāng)系統(tǒng)在3 000r/min 運(yùn)行時(shí)，負(fù)載功率由空載突加至滿載 15kW，輸出電流的幅值由零突增至32A，功率繞組輸出的三相交流電壓未出現(xiàn)較大沖擊和畸變，恢復(fù)時(shí)間約為8ms，實(shí)驗(yàn)波形如圖7a 所示。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，再由滿載突卸至空載，實(shí)驗(yàn)波形見圖7b，輸出電壓的變化較小，且能快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，恢復(fù)時(shí)間約為9ms。

圖7 轉(zhuǎn)速為3 000r/min時(shí)突加突卸滿載實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results for the step change of full load at the speed of 3 000r/min

為進(jìn)一步驗(yàn)證該發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，按同樣的實(shí)驗(yàn)方法，在其他轉(zhuǎn)速下也進(jìn)行突加和突卸滿載實(shí)驗(yàn)，輸出電壓波形較好，恢復(fù)時(shí)間均小于10ms，表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)性能，由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖7 類似，這里不再一一給出。值得一提的是，在突加和突卸滿載實(shí)驗(yàn)過程中，控制側(cè)直流母線的電壓同樣具有良好的動(dòng)態(tài)性能，這為下一步研究交直流同時(shí)供電的DWIG 混合發(fā)電系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

4.4 變速運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

在發(fā)電系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速變化同樣會造成輸出電壓的變化。為了說明能在負(fù)載突變時(shí)具有良好動(dòng)態(tài)性能的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制同樣能在轉(zhuǎn)速變化時(shí)保持系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，對轉(zhuǎn)速變化時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)系統(tǒng)在4 500r/min 滿載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在 1s 內(nèi)迅速從 4 500r/min 上升至5 500r/min，三相輸出交流電壓和控制側(cè)直流母線都能保持穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示，這與3.1 節(jié)的分析是一致的，進(jìn)一步說明了瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制策略的正確性和有效性。

圖8 轉(zhuǎn)速1s內(nèi)從4 500 r/min增加到5 500r/min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results for the system with the speed rapidly increasing from 4 500 r/min to 5 500r/min within 1s

5 結(jié)論

本文對定子雙繞組異步電機(jī)變頻交流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，根據(jù)功率平衡的思想和瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理，提出了基于轉(zhuǎn)差頻率控制的DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)電壓控制策略。該控制策略綜合考慮了輸出電壓和輸出電流二者的變化信息，利用電壓矢量去調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率，進(jìn)而改變電磁轉(zhuǎn)矩，保證輸出電壓穩(wěn)定，它的物理概念清楚，結(jié)構(gòu)簡單，無需復(fù)雜的坐標(biāo)變換和影響動(dòng)態(tài)性能的電流環(huán)。該發(fā)電系統(tǒng)能在1∶3的寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，且具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間小于10ms，可大大提高機(jī)載、車載電源系統(tǒng)的供電品質(zhì)和性能，為高性能電子設(shè)備和武器裝備的正常運(yùn)行提供電源保障。

本文研究表明，DWIG 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步研究和發(fā)展可為大容量、高性能獨(dú)立電源系統(tǒng)提供一個(gè)有競爭力的方案。

[1]Emadi K,Ehsani M.Aircraft power systems:technology,state of the art,and future trends[J]．IEEE A&E Systems Magazine,2000,15(1):28-32.

[2]Chang J,Wang A H.New VF-power system architecture and evaluation for future aircraft[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2006,42(2):527-539.

[3]Olaiya M,Buchan N.High power variable frequency generator for large civil aircraft[C].IEE Colloquium on Electrical Machines and Systems for the More Electric Aircraft,1999,3:14.

[4]Rosado S,Ma X F,Francis G,et al.Model-based digital generator control unit for a variable frequency synchronous generator with brushless exciter[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23(1):42-52.

[5]Hu Y,Huang W,Li Y.A novel instantaneous torque control scheme for induction generator systems[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2010,25(3):795-803.

[6]胡育文,黃文新,張?zhí)m紅.異步電機(jī)起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21(5):7-13.Hu Yuwen,Huang Wenxin,Zhang Lanhong．Research on employing starter/generator system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,21(5):7-13．

[7]Elbuluk M E,Kankan M D.Potential starter/generator technologies for future aerospace applications[J].IEEE A&E Systems Magazine,1997,12(5):24-31．

[8]劉陵順,胡育文,黃文新.電力電子變換器控制的異步電機(jī)發(fā)電技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(5):1-7.Liu Lingshun,Hu Yuwen,Huang Wenxin.Summary of technology of induction generators with power electronic converters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2005,20(5):1-7．

[9]Ojo O,Davidson I E.PWM-VSI inverter-assisted stand-alone dual stator winding induction generator[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2000,36(6):1604-1611.

[10]Wang D,Ma W M,Xiao F,et al.A novel stand-alone deal stator-winding induction generator with static excitation regulation[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20(4):826-835.

[11]Li Y,Hu Y,Huang W,et al.The capacity optimization for the static excitation controller of the dual-stator-winding induction generator operating in a wide speed range[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(2):530-541.

[12]Bu F,Huang W,Hu Y,et al.An excitation-capacitor-optimized dual stator-winding induction generator with the static excitation controller for wind power application[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2011,26(1):122-131.

[13]張波濤,馬偉明,肖飛,等.12/3 相雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制方法和動(dòng)態(tài)特性的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(12):143-148.Zhang Botao,Ma Weiming,Xiao Fei,et al.Research on the control and dynamic performance of the exciting system in the 12/3 phase double-winding induction generator[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(12):143-148.

[14]劉陵順,胡育文,黃文新.變速變負(fù)載運(yùn)行的雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組無功容量優(yōu)化的分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21(3):94-99.Liu Lingshun,Hu Yuwen,Huang Wenxin.Optimal analysis of reactive capacity of control Winding for dual stator-winding induction generator operating with variable speed[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,21(3):94-99.

[15]楊青,馬偉明,吳旭升,等.3/3 相雙繞組發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(4):86-90.Yang Qing,Ma Weiming,Wu Xusheng,et al.Stability of 3/3 dual stator-winding induction generator with simultaneous AC and rectified DC load[J].Proceedings of the CSEE,2003,23(4):86-90.

[16]李勇,胡育文,黃文新,等.變速運(yùn)行的定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(20):124-130.Li Yong,Hu Yuwen,Hang Wenxin,et al.Research on the dual stator-winding induction generator with variable speed operation[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(20):124-130.

[17]李勇,胡育文,劉陵順,等.帶整流橋負(fù)載的定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)寬轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(17):125-131.Li Yong,Hu Yuwen,Liu Lingshun,et al.Characteristic of the dual stator-winding induction generator system operating over a wide speed range[J].Transaction of China Electrotechnical Society,2007,28(17):125-131.

[18]李勇,胡育文,黃文新,等.基于空間電壓矢量調(diào)制的定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電壓控制技術(shù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(23):112-118.Li Yong,Hu Yuwen,Huang Wenxin,et al.Voltage control of dual stator-winding induction generator system using space vector Modulation[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(23):112-118.

[19]黃文新,張?zhí)m紅,胡育文,等.18kW 異步電機(jī)高壓直流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(12):52-58.Huang Wenxin,Zhang Lanhong,Hu Yuwen,et al.Design and research on 18kW HVDC induction starter/generator System[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(12):52-58.

[20]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[21]Garcia Munoz A,Lipo T A,Novotny D W.A new induction motor V/f control method capable of high-performance regulation at low speeds[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34(4):813-821.

[22]Arturo R Miles,Donald W Novotny.Transfer functions of the slip-controlled induction machine[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1979,15(1):54-62.

[23]劉迪吉.航空電機(jī)學(xué)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1992.