五相双定子绕组感应直流发电系统实验平台

研究了一种五相双定子绕组感应发电机直流发电系统的实验平台设计与实现。该发电机定子绕组分为五相控制绕组和五相功率绕组。根据发电机结构以及控制方法的特殊性,在系统实验平台设计时,将发电机的控制绕组连接五相功率变换器,用来调节发电机励磁无功;将功率绕组连接五相整流桥,用来输出直流电能。采用DSP作为系统控制电路的控制芯片,并配合AD采样调理保护电路,构建了一套270 V直流发电系统实验平台。实验结果证明了该系统实验平台设计的合理性与正确性,系统能够稳定运行,性能良好。

三电平逆变器驱动双定子绕组PMSM系统容错控制

为了提高三电平逆变器驱动双定子绕组永磁同步电机(PMSM)系统的运行能力,设计了一种针对缺相故障和开关管开路故障的新型容错控制策略。新方案基于矢量空间解耦(VSD)控制实现了2套定子绕组的整体转矩控制。新方案可以实现优化目标下的缺相故障容错控制,如最小电流幅值方差。此外,针对开关管开路故障提出了基于VSD的补偿方案,即通过调整开关调制策略,实现了系统对称运行。新型容错控制方案还能抑制电流谐波和直流母线中点电压偏差。最后,PMSM容错试验结果验证了新型控制方案的有效性。

基于超扭曲滑模的双定子绕组感应电机转速磁通控制

针对双定子绕组感应电机DSWIMs(dual-stator winding induction machines)在传统直接转矩和磁通控制下转矩、磁通和电流纹波大,在低速下控制磁通难度大、噪声大等问题,提出1种基于超扭曲滑模控制器STSMC(super twisting sliding mode controller)的DSWIMs新型转速和磁通直接控制方法。通过设计满足李雅普诺夫稳定条件的有限时间收敛误差为0的非线性控制器,提出1种DSWIMs新型转矩分配算法,可使DSWIMs在较宽的转速范围内运行,并包括零转速,所需电磁转矩由2组绕组根据其额定功率提供。此外,针对DSWIMs设计了1种基于滑模控制的全阶观测器,能够高精度地估计绕组磁通、磁通角和转子转速,以实现最优磁通状态。最后,在1个3.3 kWDSWIM驱动系统上进行实验测试,评估所提DSWIM控制方案的性能,实验结果证明了所提控制方法、转矩分配算法和全阶观测器在不同速度区域的有效性。

变频交流发电系统双定子绕组异步发电机低载波比控制

随着多电全电飞机的发展,变频交流(VFAC)电源发电系统已广泛应用于大型民用飞机之中。VFAC系统的主发电机具有功率大、基波频率高的特点,而大功率器件的开关频率通常不高于5kHz,因此,如何在有限载波比下保证输出电压波形质量及动态性能成为了研究的重点。基于双定子绕组异步电机(DWIG)VFAC发电系统,利用特定次谐波消除脉宽调制法(SHEPWM),针对不同的基波频率段选择不同的载波比,在保证波形质量的同时做到开关频率最低。针对SHEPWM无法实时控制的问题,采用磁链追踪控制(FTTC)对SHEPWM调制进行了改进,保证了系统动态性能,仿真和实验验证了方法的正确和有效性。低载波比控制方法不仅可以应用于变频交流发电系统,而且同样适用于中频变换器等场合。

变频交流发电系统双定子绕组异步发电机短路瞬态分析

航空变频交流电源发电机突然短路是一种常见的故障情况,其瞬变过程值得展开深入研究。针对用于航空变频交流发电系统的双定子绕组异步发电机(DWIG),分析了两套绕组同时发生对称突然短路的情况,运用解析法给出了短路电流的衰减规律,最大短路电流计算公式及到达时刻。研究结果表明,DWIG在短路时定子绕组中将产生两个直流衰减分量和一个旋转衰减分量,分别对应两套定子绕组和转子的影响,其瞬态电抗的形式与带阻尼绕组的同步电机直轴超瞬变电抗类似,并与瞬态电流的峰值成反比关系,分析表明DWIG短路电流的峰值小于同步发电机。所得的结果能够有助于深入理解DWIG的瞬态特性,获得的解析公式有助于对发电机突然短路电流进行估算,辅助发电机电磁设计,可以为发电系统保护单元和控制器的设计提供理论参考。

带整流桥负载的定子双绕组感应发电机系统宽转速运行时的稳态特性

针对带整流桥负载的定子双绕组感应发电机(dual stator-winding induction generator,DWIG)系统在宽转速范围内运行时的稳态运行特性进行了研究。建立了带电容滤波的整流桥负载的DWIG系统数学模型,指出整流桥负载是具有容性的非线性负载,提出了采用数学仿真的方法进行励磁电容的选取以降低变换器容量。采用控制绕组端电压定向的控制策略,对一台18kW、270V带整流桥负载的DWIG系统在变速时稳态规律进行了仿真和实验研究,结果表明发电机系统能够在4000-8000r/min宽转速范围内稳定运行,控制绕组最大功率为功率绕组额定输出功率的37%,控制绕组电流的最大有效值为功率绕组电流额定值的21%,与输出功率比较,实现了大幅度降低控制侧变换器容量的目的。

基于瞬时转差频率控制的定子双绕组异步电机变频交流发电系统

研究了一种基于定子双绕组异步电机(DWIG)的变频交流发电系统,根据功率平衡思想提出了该变频交流发电系统的瞬时转差频率控制策略。该策略省去了复杂的坐标变换和影响动态性能的电流环,综合考虑了输出电压和输出电流二者的变化信息,利用电压矢量去调节发电机的瞬时转差频率,进而改变电磁转矩,保证输出电压稳定。在一台15 kW样机上进行了一系列实验研究,实验结果证明了该变频交流发电系统的可行性和控制策略的有效性。

基于直接功率控制的定子双绕组感应发电机系统电压调节技术

分析了定子双绕组感应发电机(dual stator-winding induction generator,DWIG)系统电压控制机理,并由此揭示了控制绕组瞬时功率对系统电压的影响,在此基础上提出了DWIG发电系统的直接功率控制策略,即根据控制绕组端电压所在的扇区和功率滞环比较器的输出,选取优化开关表中合适的电压矢量,以对控制侧瞬时功率实施直接控制。该控制结构由控制绕组指令功率生成、控制绕组瞬时功率计算、功率滞环及优化开关表等模块组成,该文对其进行了详细分析。在一台18kW原理样机系统上的试验结果证明了该控制策略的有效性。

基于定子双绕组异步发电机的交直流混合发电系统

提出了一种基于定子双绕组异步发电机(DSWIG)的交直流混合发电系统。该发电系统能同时输出稳定的变速、变频交流电和高压直流电。系统采取标量型瞬时转差频率控制策略。实验采用一台18k W的双绕组发电机验证了该发电方案的可行性。实验结果显示,该交直流混合发电系统能够在1∶3的宽转速范围内稳定恒功率运行,且具有优秀的动、静态品质。例如,交流输出电压在突加、突卸100%额定负载时,恢复时间小于10ms,大大低于美军标70ms的规定。初步研究成果表明,基于定子双绕组异步发电机的交直流混合发电系统能够为机载、车载等独立电源场合提供有竞争力的解决方案。

基于空间电压矢量调制的定子双绕组感应发电机系统电压控制技术

将空间电压矢量调制(space vector modulation,SVM)策略应用于定子双绕组感应发电机(dualstator-winding induction generator,DWIG)系统,不仅提高了直流母线利用率、降低了控制绕组侧静止励磁控制器(static excitation controller,SEC)的直流母线电压,而且有效降低了控制绕组电流谐波。该文在分析SEC数学模型的基础上,提出基于SVM的DWIG发电系统电压解耦控制策略,并对DWIG系统建压、突加突卸负载进行了仿真和实验研究,结果证明该控制策略具有良好的动静态性能。该文进一步拓展了SVM控制下的发电机转速运行范围,并用节点导纳法对该变速运行过程中的电压和电流关系进行了定量分析,实验结果验证了该方法的正确性。

间接磁场定向控制的定子双绕组感应电机风力发电系统

针对低转速下运行的定子双绕组感应电机(DWIG)风力发电系统,提出了一种简单易实现的控制绕组间接磁场定向控制策略。该定向方法忽略控制绕组的阻抗压降,以与控制绕组电压矢量正交的方向作为矢量控制的定向基准,使系统的电压调节控制得到了简化。省去了直接磁场定向控制的复杂积分运算,仅需控制绕组电压采样及简单的2/3坐标变换。采用滞环电流控制策略调节系统的输出电压,在一台750 r/min、20 kWDWIG样机上进行了仿真和实验研究,证明了理论分析和该定向方法的正确性和有效性。

定子双绕组异步发电机漏电抗计算的研究

漏电抗的准确计算是电机设计中十分关键的问题。基于静止励磁调节器的双绕组异步发电机定子绕组漏抗计算比传统的三相电机更复杂。首先给出了定子双绕组异步电机通用数学模型及等效电路,采用解析法对不同绕组结构的定子双绕组异步电机漏电抗计算进行了系统地分析,导出了相应的计算公式。最后,利用所得计算公式设计了一种静止励磁调节器控制的定子双绕组异步发电机,并对其定子漏电抗参数、性能指标及运行特性进行了计算。

定子双绕组风力感应发电机的运行特性分析

为了深入研究应用于风力发电系统的定子双绕组感应发电机(dual stator-winding induction generator,DWIG)运行特性,从等效电路和相量图出发,分析了DWIG在转速和负载变化情况下的运行机理及特点,推导了不同负载下控制绕组电流的计算方法。在此基础上,针对额定转速和变转速2种运行工况,对1台18.5kW带感性负载的DWIG样机运行特性进行了详细分析。结果表明:控制绕组可对励磁无功功率进行调节实现空载建压,控制绕组电流和转差率随负载电流的增加而增大,效率随负载电流的增加先增大后减小,在变转速情况下控制绕能进行无功功率调节实现恒压输出。理论分析与仿真结果一致证明了研究结果的正确性。

定子双绕组感应电机风力发电系统励磁电容的优化选取

在定子双绕组感应电机(DWIG)风力发电系统中,励磁电容的优化选取对控制绕组励磁变换器(SEC)容量的最小化具有重要作用,它不仅与发电机参数、转速范围有很大关系,同时还受风力机功率曲线和负载性质的影响。本文以SEC容量最小化为目标,在分析该发电机励磁无功变化规律的基础上,研究了励磁电容优化选取的原则,采用图解法和迭代法得到带阻性负载下的优化励磁电容值。考虑到整流负载的非线性因素,利用仿真法对该值进行合理调整,最终得到带整流负载所需的优化励磁电容值。在一台18kW带整流负载的DWIG样机系统上进行了实验验证,结果表明,系统在宽转速范围内能稳定运行,励磁变换器容量约为额定输出功率的1/3,实现了励磁变换器容量最小化。

宽风速运行的定子双绕组感应电机风力发电系统拓扑及控制策略

介绍了一种适用于宽风速范围运行的新型定子双绕组感应发电机风力发电系统,其拓扑特点是将控制侧励磁变换器的直流母线经二极管与功率侧直流母线相连。在低风速区,利用电压泵升原理将励磁变换器的直流母线电压泵升至指令值,电能由控制侧直流母线端输出,拓宽了系统在低风速下的风能利用能力;在高风速区,功率绕组侧输出电压可上升至指令值,并联二极管断开,电能由功率侧整流桥的直流母线输出,控制侧变换器调节系统励磁无功保持输出电压恒定。该发电系统拓扑及控制方法实现了系统在宽风速范围内均能输出恒定的高压直流,可简化后级并网逆变器的结构和控制。在一台额定37 kW/DC 600V的样机上进行了实验研究,结果表明该风力发电系统的可行性和控制策略的有效性。

定子双绕组风力感应发电机优化设计方法

结合定子双绕组感应发电机(DWIG)在风力发电场合的运行特点,建立了风力DWIG的优化设计模型,提出了相应的优化目标、优化变量及约束条件。针对粒子群优化算法早熟收敛的问题,提出了一种具有向成功和失败双重学习能力的遗传-粒子群综合算法(GPSMA)。在此基础上,分别以转速范围内的控制绕组电流及额定效率为优化目标,利用GPSMA对一台18.5 k W的DWIG进行了优化设计,并对2套优化方案进行了分析。结果表明,优化之后的样机的控制绕组电流最大值下降了62.7%或额定效率提高了0.94%,说明GPSMA有助于DWIG优化设计。

宽风速运行的定子双绕组感应电机风力发电系统励磁电容的优化方案

将控制侧静态励磁控制器(SEC)的直流母线端和功率侧整流桥的输出端通过功率二极管并接起来,可使定子双绕组感应电机(DWIG)风力发电系统在宽风速范围内输出恒定的高压直流。鉴于新拓扑和新系统控制策略的特殊性,本文详细分析了系统在高低风速两种运行状态下的控制绕组电流变化规律,并在此基础上以SEC容量最小为目标,研究了新系统的励磁电容优化方案。方案运用Simulink仿真得到励磁电容变化对控制绕组电流的影响,并依据仿真结果运用循环计算和实验验证相结合的方法,最终得到最优的励磁电容值及最佳的切换转速。实验结果证明了该优化方案的正确性和有效性,新系统在保持SEC容量为电机额定功率1/3的情况下实现了宽风速运行,充分利用了低风速下的风能。

定子双绕组感应电机风力发电系统的低电压穿越特性分析

通过发电机控制绕组侧的励磁变换器灵活调节系统所需的励磁无功功率,定子双绕组感应电机(DWIG)风力发电系统可在宽风速范围内输出稳定的高压直流,无需增加升压变换器即可并网运行,并且系统的控制策略有助于提高系统对电压跌落等故障的穿越能力。文中通过构建并网型DWIG风力发电系统的Simulink仿真模型,对系统运行在各种功率因数状态下的跌落特性及跌落期间对电网的无功功率支持进行全面仿真。结果证明,无需增加额外的卸载单元,DWIG风力发电系统即可实现较强的低电压穿越能力,在不同功率因数下均能稳定安全运行,且能在电压跌落故障期间提供一定的无功功率支持。

带感性和容性负载的定子双绕组异步电机变频交流发电系统动态性能

为提高定子双绕组异步电机变频交流发电系统带感性和容性负载时的动态性能,对该发电系统现有的转差频率控制策略进行了改进,加入了负载无功前馈环节。根据瞬时功率理论,算得负载的有功和无功,分别通过比例前馈环来快速控制控制绕组侧功率变换器输出电压的频率和幅值,加快控制绕组提供的无功的调节,进而加快改变发电机的转差频率和气隙磁通,实现该发电系统的功率平衡和输出电压的稳定。实验结果证明了该方法的正确性和有效性。

定子双绕组感应发电系统的滞环电流控制方法

提出了一种基于空间电压矢量的适用于定子双绕组感应发电系统的滞环电流控制新方法。该方法将滞环控制与空间电压矢量PWM控制相结合,根据控制绕组的电流误差矢量与参考空间电压矢量的区域分布,选择最佳的电压矢量运行,使各相电流误差被限定在给定滞环内,准确跟踪各相给定电流,实现静止励磁控制器三相桥臂间的关联控制,消除相间影响。该方法实现简单,即能限制开关频率,又能有效减小电流误差,改善电流跟踪性能。实验结果证明了该方法的正确性和有效性。