双绕组五相异步发电系统的控制技术及容错运行

发布时间：2020-08-27 17:54

【摘要】：能源危机是一个全球性的问题,开发可再生能源发电系统和提高能源利用率能够有效地缓解能源危机。作为可再生能源的风力发电特别是海上风力发电要求发电系统具有性能高,可靠性高,容量大等特点。在航空领域,多电飞机/全电飞机采用电力作动系统取代机械和液压系统来提高效率和可靠性,这要求航空电源发电系统具有大容量、高可靠性和高性能等特点。针对上述两种场合的需求,异步电机以其成本低、坚固简单等优点成为一个可选择的方案。为了更好地发挥异步电机发电系统的优点,针对上述两种应用提出了一种双绕组五相异步发电系统。该系统的特点有:(1)五相双绕组异步发电机(Dual stator-winding induction generator,DWIG)的转子为笼型结构,简单坚固,可靠性高;(2)定子上有两套绕组,一套为功率绕组,一套为控制绕组,功率绕组整流输出高压直流电;控制绕组接五相静止励磁变换器,用以控制发电机的励磁;两套绕组功能独立,没有电气连接;(3)采用五相绕组,可以用非正弦励磁来提高电机的功率密度和提高容错运行能力。本文首先研究了该发电系统的基础问题,包括磁势分析和数学模型。其次,针对上述两种场合的高功率密度、高性能和高可靠性的需求,从谐波注入方法、瞬时功率控制及容错控制方法展开。具体的研究内容和主要成果包括以下几个方面。(1)为了满足不同控制策略的需要,分析五相DWIG在多种频率励磁下所产生的气隙磁动势,建立了五相DWIG在自然坐标系下的数学模型。依据磁势不变的原则,建立了五相DWIG在静止坐标系下的数学模型。根据旋转变换矩阵,实现基波空间与三次谐波空间的解耦,得到了五相DWIG在旋转坐标系下的解耦模型。(2)采用合适的控制策略是发电系统高性能运行的保证。基于瞬时功率理论,分析五相DWIG的直流发电原理,提出了一种基于空间电压矢量调制的五相DWIG控制绕组磁场定向控制。为了提高五相DWIG的功率输出,本文采用注入三次谐波励磁,提高磁场基波幅值的方式,提出了基于谐波电压注入的控制绕组磁场定向控制策略。由于谐波电压注入的方法没有谐波电流闭环,这使得给定的谐波电流与需要的谐波电流存在偏差。进一步提出了一种基于谐波电流注入的控制绕组磁场定向控制策略。研究表明,两种注入方法均具有改善电机气隙磁密,提高功率输出(本系统约为11%)。采用谐波电压注入具有结构简单易于实现,不影响系统的动态性能,方便扩展到电压型控制方案的应用场合。而谐波电流注入具有谐波电流可控,电流稳态性能好,但延缓了系统的动态性能。(3)为了提高系统的动态响应性能,基于瞬时功率理论,分析五相电压矢量对无功功率和有功功率的作用,并给出瞬时功率控制最优电压矢量表。针对变速应用的场合,提出一种基于空间电压矢量调制的五相DWIG控制绕组瞬时功率控制。对系统的控制环进行设计,并引入速度信息到功率环中,消除速度变化带来的影响。为了兼顾多相的特点,改善五相DWIG的气隙磁密和提高其功率输出,提出了改进的谐波电压注入的控制绕组瞬时功率控制。研究表明:带谐波电压注入的控制绕组瞬时功率控制属于电压型的方案,具有结构简单易于实现,并提高动态性能。(4)针对五相控制绕组变换器相对易发生故障的可靠性问题,探索了该发电系统控制绕组缺相故障的控制规律,提出了基于全阶变换矩阵的容错控制策略。针对其存在着不同平面耦合的问题,提出了基于虚拟变量控制的容错控制策略。基于降阶变换矩阵和虚拟变量定义,推导了磁链和转矩的表达式。研究表明:两种容错控制方法都能实现缺相故障的容错控制,降低功率绕组侧输出电压的脉动,减小控制绕组电流,降低故障后的转矩脉动。基于全阶变换矩阵的方法具有实现简单,兼容性好,只须修改谐波平面的电流给定即可实现不同开路故障的容错的特点;基于虚拟变量的控制方法能实现不同平面的解耦控制,使转矩与磁链成线性关系,稳态性能好。本文的研究推动双绕组异步发电机从三相向多相进一步发展,为双绕组异步电机在航空电源和风力发电的应用提供了一个可选的方案,并为后续的研究工作打下了基础。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM343
【图文】：

笼型异步电机,高压直流,发电系统

不过这两个系统都是变速恒频交流发电系统，不是高压直流发电系统电机由于转子结构有电刷和滑环，不适用于高速运行的航空电源系统，后来在了应用。若要将 Lipo T.A.教授等研究的三相笼型异步电机变速恒频交流发电系压直流发电场合，只需去掉后级逆变及高频交流链等环节并作相应改进即可。直流电源系统，2002 年阿根廷的学者们还专门对 270V 三相笼型异步发电系统出了一种损耗最小的控制策略，有效提高了发电系统的效率[12]。步电机发电系统机载和车载独立电源系统的应用，本课题组从 1998 年开始就对基于三相笼型异流发电系统进行研究，并研制出 18kW 样机[13]。同时，提出了多种拓扑结构和了三相四桥臂故障运行。图 1. 1 给出了基于三相笼型异步电机的高压直流发电。该样机的特点为：（a）定子绕组采用星三角形变换连接，以保证起动时能获矩；（b）起动时采用直接转矩控制，发电时采用瞬时转矩控制，实现了起动和成；（c）样机额定转速为 4000r/min，最高转速为 10000r/min；（d）样机动静态性卸 70%额定负载时，电压恢复时间约为 10ms。

异步发电,笼型

电机定子绕组由星形连接改为三角形连接，以降低电机额定电压，这导致电机绕接易引起环流；（2）该系统中变换器需要控制电机中有功功率和无功功率，变换变换器直接输出至负载，变换器的高频开关会直接影响负载供电质量。所周知，多相电机具有适合大功率应用、转矩脉动小、可靠性高等优点。同时，系统存在着无法直接使用低功率等级器件实现低压大功率应用和容错能力不高外，多相电机具有多自由度和强容错能力。采用非正弦励磁控制技术可以提高气峰值，使气隙磁密为准方波，从而实现转矩密度的提高。在系统发生故障时能实行，从而进一步提高系统可靠性。正因为这些显著优势，近年来各国纷纷开展了的研究，并取得了大量成果[14-30]。目前，基于大功率驱动和发电的多相电机系统用多种场合得到了应用，如船舶等电力推进领域和大型风力发电领域。鉴于多相好研究基础和发展前景，将多相电机系统拓展到航空发电领域也是很有优势。为型异步发电机的优势，并解决上述问题，本文构建了多相笼型异步发电系统如图始建压励磁电源采用低压小容量蓄电池。当负载不工作时，48V 蓄电池不会给它工作时，270V 直流电压大于电池电压，二极管截止，48V 蓄电池也不会给它供电

发电系统

双绕组五相异步发电系统的控制技术及容错运行组异步发电机继承了笼型异步发电机的固有优点，克服了电机、变换器和负所产生的不足，尤其是所需变换容量大和电磁兼容性不好等问题，成为研究图 1. 3 给出现有三相双绕组异步发电机(Dual stator-winding induction generat图。该发电机的功率绕组输出电能给负载；其控制绕组负责调节发电机励磁场耦合，极数相等，匝比及容量可变，电磁兼容性好。而且通过电机及系统化，可使变换器容量大为减小（一般约为额定容量的 1/3）。针对海上风力发系统中大容量的需求，可以通过提高器件的电压等级或者采用多相来提高容

【参考文献】