寬轉速運行的定子雙繞組感應電機發電系統電壓控制策略

0交流側平波電壓控制三大傳感器（尤其是鼠籠式傳感器）因其結構簡單、可靠性高、維護方便等優點，越來越成為能源等可支配能源發電、飛機、坦克、坦克等獨立能源系統的重要選擇。電力電子變換器控制的感應電機發電系統，能夠實現無功功率的連續調節，電源輸出品質大大提高。變換器與負載串聯的感應電機發電系統，原動機轉速運行范圍較大、動態響應快，但所有功率均需通過變換器，使變換器容量、體積均較大。變換器與負載并聯的感應電機發電系統，其優點是變換器只需提供勵磁無功，變換器容量較小；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，且系統動態過程的過渡時間較長；由于變換器與負載有電氣連接，變換器開關產生的諧波會影響電源輸出品質。這些問題在一定程度上制約了三相感應發電機系統在上述領域中的發展。為了有效調節系統電壓，減小變換器容量，同時減小或消除變換器產生的諧波對負載的影響，文獻先后提出了定子雙繞組感應發電機系統，該電機在定子上安裝極對數相同的2套繞組，兩者僅通過磁場耦合，使變換器開關產生的諧波對負載的影響減小，而且可實現高性能控制；依靠控制繞組的漏電感，可以減小甚至省略變換器交流側平波電感。文獻采用基于控制繞組端電壓定向的系統電壓控制策略，對發電機轉速恒定或基本不變的運行狀態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的控制方法進行探討。文獻研究了變速運行發電系統的優化設計方法，但未涉及該系統電壓調節機理及其控制策略。在飛機、坦克戰車等獨立供電系統中，由于發電機會在寬轉速范圍內運行，電機內部磁場的變化較為復雜，若不能對其進行有效的控制，會使發電系統難以穩定運行，因此研究DWIG發電系統在變速運行過程中的電壓控制技術，建立變速運行的發電系統電壓控制理論，對充分發揮該新型電機結構特點、拓展其應用范圍具有重要意義。磁鏈是聯系定子兩套繞組的唯一變量，本文基于控制繞組磁鏈定向，應用瞬時功率理論，分析了變速運行DWIG發電系統的電壓控制機理，并據此提出相應控制策略。通過對DWIG發電系統的初始建壓、變速運行和突加突卸負載等典型運行狀態的仿真和實驗研究，證明了該理論分析和控制策略的有效性。1dwig數學模型圖1為DWIG系統結構框圖。DWIG轉子為標準鼠籠型結構，沒有滑環和電刷，結構簡單、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節發電機內部磁場。2套繞組極對數相同，因而兩者的工作頻率也相同；它們在電氣上沒有連接，只通過電機內部磁場關聯。為了簡化分析，忽略DWIG內部的磁滯損耗和渦流損耗，按照電動機慣例得出DWIG數學模型。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發電機d-q等效電路圖。下標p、s、r分別表示功率繞組、控制繞組和等效轉子繞組的參數；d/dt為微分算子；u、i、ψ分別表示電壓、電流和磁鏈矢量；ω1、ω2分別為同步角頻率和轉差角頻率；Lm為定子與轉子間的互感；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、控制繞組和轉子的自感，它們分別是：Lp=Llp+Lps+Lm,Ls=Lls+Lps+Lm,rlrmL=L+L。2dwig發電系統的電壓控制機制是可變的2.1按控制功率變換的dwig等數學模型功率繞組電壓的調節可以通過調磁調壓方式實現，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節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發電系統中瞬時功率與轉速、磁鏈、控制繞組電流以及系統電壓的關系，并由此推出了變速運行的DWIG發電系統電壓控制機理。控制繞組反電勢為式中：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電勢，如圖3所示，圖中θ為ψs在靜止坐標系中的相角。根據瞬時功率理論，可以得到在按控制繞組磁場定向的同步旋轉坐標系中，控制側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，發電機系統在任意轉速運行時，調節控制繞組電流id、iq便可控制瞬時功率，即：id→q,iq→p。根據文獻的推導可知，感應電機在按定子磁場定向時存在如下關系式中：τr為轉子時間常數；σs為控制繞組漏磁系數；np為極對數；Tems為控制繞組電磁轉矩。將式(6)代入式(11)可得當系統穩定運行時，式(9)和式(10)可分別化簡為聯立式(13)和(14)可解出id進一步由式(15)和(7)，可得電磁轉矩是機電能量轉化的關鍵物理量，式(12)表明，通過對有功功率的適當調節，即使在轉速變化過程中，也能對電磁轉矩進行控制。DWIG起動時需要外界提供勵磁以建立內部磁場；當DWIG在額定轉速以上寬范圍運行時，發電機處于恒功率弱磁狀態，但功率繞組所接的勵磁電容提供的勵磁功率會隨著轉速的升高而增加，反而使發電機磁路飽和、電壓升高，若不加控制將導致發電系統無法穩定運行。式(16)表明，通過調節控制繞組瞬時無功功率，可以在不同轉速運行時對電機內部磁場實施控制，使系統穩定。綜上可得：變速運行的DWIG發電系統，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節，以達到轉矩和磁鏈的控制，即：id→q→ψs,iq→p→Tems。2.2交流轉化功率wdp控制功率繞組整流橋直流側母線電壓為式中Uph、N、Kw、ψp、f1分別為功率繞組相電壓、功率繞組匝數、繞組系數、功率繞組磁鏈和同步頻率。由于DWIG定子上2套繞組極對數相同、匝鏈同一磁場，因此調節控制繞組磁鏈就可以控制功率繞組磁鏈ψp，進而控制UpDC。DWIG系統的SEC直流側采用直流電容器作為儲能環節，在SEC工作時由于線路電阻、開關損耗，會引起直流側電容電壓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損耗，如圖1虛線部分所示。控制側等效電阻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矩Tems也能實現控制側直流母線電壓UsDC的調節。綜上可得如下關系：因此，調節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DWIG發電系統在變速運行過程中系統電壓的控制。3dwig電源系統的控制策略3.1控制鏈下磁鏈幅值衰減和相電流量計算由式(3)可得控制繞組磁鏈矢量在復數域的計算式式中：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。由于純積分環節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)中積分環節與高通濾波器合并，得到一階低通濾波器(lowpassfilter,LPF)磁鏈觀測器當時有此時LPF定子磁鏈器的誤差可以忽略。當上述條件不滿足時，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、坦克戰車等獨立供電系統中，發電機一般在幾千轉/分鐘范圍內運行，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。控制繞組磁鏈在靜止坐標系中的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系中的α-β分量。磁鏈幅值ψs和相角為3.2發電機c和usc的數學模型UpDC在不同運行工況下保持恒定是系統的控制目標；UsDC保持不變是變換器正常工作的重要條件。為了調節定子雙繞組感應發電機兩側電壓UpDC和UsDC，將兩者分別與參考電壓比較，經過PI調節器后得到給定電流，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的差值送入兩態數字滯環比較器，得到開關信號SA、SB和SC。變換器由PWM信號控制，在其交流側形成幅相受控的電壓矢量U，該電壓與e共同作用于交流側電感上，使控制繞組實際電流跟蹤給定值，從而調整發電機系統在不同運行狀態下瞬時功率的平衡，保證系統穩定運行。系統控制框圖如圖4所示。4仿真結果與分析本文對圖4所示的控制策略進行了仿真研究。在Matlab/simulink中構建了包括DWIG和SEC在內的整個系統的仿真模型，仿真系統參數根據實驗室研制的18kW原理樣機設定為：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額定電壓UpDC為270V。整流橋直流側電容CpDC為1100μF/450V;SEC直流側電容CsDC為1100μF/900V，控制繞組直流側電壓UsDC設定為580V，其他參數見附錄A。圖5給出了系統仿真研究結果。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化所起地作用，本文選取了較小的容值，這將導致發電機額定轉速運行時，無法單純依靠勵磁電容實現自勵建壓，本文采用SEC與勵磁電容共同激磁的方法進行系統建壓，其具體的方法是：發電機以額定轉速4000r/min運行，控制SEC產生一低于電機轉速的同步旋轉磁場，使發電機處于超同步發電狀態，控制側和功率側電壓因此而增長；當控制側電壓增長到一定值后切換到圖4所示的閉環控制策略，使系統電壓UpDC和UsDC達到各自給定值。0.6s時發電機以恒定加速度升速，1.6s時轉速達到8000r/min，此后保持發電機以該速度運行，如圖5(a)所示；圖5(b)為系統電壓；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。仿真結果說明，按控制繞組磁場ψs定向，可以實現系統起動建壓、和寬范圍變速運行；在系統運行的每個階段，DWIG發電系統都得到有效控制，系統電壓UpDC和UsDC保持穩定。基于控制策略的理論分析和計算機仿真研究，在本實驗室研制18kW的原理樣機上進行了實驗驗證，圖6為系統實驗框圖。選用IPM為SEC的開關器件，采用兩態數字滯環的調制方式產生PWM波形；使用dSPACE構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)為發電機輕載(功率繞組帶1%額定負載)時轉速從額定轉速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，發電機控制繞組磁鏈得到有效控制，磁鏈隨著發電機轉速的上升而下降，而在整個變速過程中系統電壓UpDC和UsDC保持穩定。圖9為發電機系統在額定轉速4000r/min運行時突加突卸負載的實驗波形。圖9(a)為發電機從1%額定負載突加到80%額定負載過程中系統電壓波形，UpDC的恢復時間為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電壓波形，UpDC的恢復時間為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，應用瞬時功率理論分析了DWIG發電系統中瞬時功率與轉速、磁鏈、控制繞組電流以及系統電壓的關系，并由此推出了變速運行的DWIG發電系統電壓控制機理。分析指出DWIG發電系統在寬轉速范圍內運行時，要保證功率側直流母線電壓恒定必須實時調節控制繞組磁場；為了使SEC能正常工作