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。

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。

定子双绕组异步发电机的电磁优化设计

新型的基于静止励磁调节器控制的定子双绕组异步发电机系统适用于航空、坦克、舰船、汽车等独立电源系统。文章提出了变速变负载运行下的静止励磁调节器控制的双绕组异步发电机的优化设计策略,系统地讨论了带整流型负载的电机计算容量的确定方法,并以此针对一种应用于坦克电源的双绕组异步发电机进行了电磁优化设计。计算结果表明,该方法可以有效地降低控制绕组功率变换器的无功容量。

基于风速时空分布的双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障特性分析

考虑由风剪切和塔影效应引起的叶轮扫掠面内风速时空分布,研究考虑风速时空分布的双馈风力发电机组机械和电气故障特性。首先,建立了考虑风速时空分布的等效风速模型,分别推导得到了考虑风速时空分布前后的风力发电机组机械转矩、转速,正常运行时和定子绕组匝间短路故障时定子电流的解析表达式及其变化特性;其次,在Matlab/Simulink平台搭建双馈风力发电机模型和故障模型,对定子电流进行频谱分析;最后,在风力发电机组故障模拟实验台进行了实验测试与研究。结果表明:考虑等效风速后,定子绕组匝间短路故障时定子电流中除了基频和基频的奇数倍,还会有调制频率3kfw。

3相定子电压定向的12/3相双绕组异步发电机励磁控制的实现

该文分析了一种带定子励磁补偿绕组的12/3相双绕组感应发电机系统。励磁采取12相绕组侧加固定电容器与3相绕组侧加变流器相结合的方式。同时对变流器的励磁控制方案进行了研究,使用了定子电压定向原理,给出了理论和试验证明。

基于有限元分析的双馈异步发电机定子绕组匝间短路故障诊断研究

笔者基于有限元分析软件Maxwell 2D建立了双馈异步发电机的仿真模型,通过改变模型中短路匝数和短路电阻的大小来模拟电机的不同短路情况,对不同情况下的电机进行仿真计算得出:定子发生匝间短路故障后,会在定子中产生负序电流,并随着故障严重程度的增加而增大,同时负序电流会受到电源不对称的影响,在用负序电流进行故障诊断时,需要补偿这些非电机故障因素的影响,同时负序电流也会受到电机负载情况的影响,且随着负载的增大负序电流有微弱增大。另外,定子发生匝间短路故障后,定子三相电流不再对称,故障相电流恒最大,而非故障两相的相位差偏离120°最大,且随着故障的加剧而明显增大。

基于d-q理论的双馈异步电机定子匝间短路故障诊断方法

为实现双馈异步电机定子绕组匝间短路的早期故障诊断,提出一种基于转子电流特征频率分量的故障诊断方法 .首先,通过分析故障后电机的电磁特性,得到故障后转子电流中会产生特征频率分量的结论 .然后,通过对转子单相电流进行特殊的相移构造出三相电流,并对该组电流进行d-q变换,利用理论推导证明d-q变换后的直流分量幅值能够反映特征谐波的大小,将直流分量作为故障特征量进行双馈异步电机匝间短路故障的诊断.最后,依据有限元法建立故障前后电机的仿真模型,对不同工况下故障特征量的变化进行研究.结果表明:基于d-q理论提取的故障特征量与定子绕组的短路匝数呈正相关,且在转速变化和电压不平衡时也可有效诊断出匝间短路故障;通过设置合理的故障阈值可实现对双馈异步电机定子绕组匝间短路故障的精确辨识.研究结果可以为电机绕组匝间短路故障诊断提供参考.

基于磁场变化的双馈异步风力发电机定子绕组匝间短路故障仿真分析

基于电机定子绕组发生匝间短路故障时阻抗参数的变化,根据匝间短路故障程度与定子阻抗参数之间的关系,基于有限元方法,提出了一种电机定子绕组匝间短路故障建模方法,该模型可以用于分析电机匝间短路故障研究。运用有限元分析软件对电机在正常运行和不同程度故障情况下的内部磁场进行了模拟,验证了运用有限元法进行电机内部故障仿真分析的可行性。

基于转子平均瞬时功率的双馈异步发电机定子绕组匝间短路故障诊断

由于双馈异步发电机转子参数的可测性,提出一种基于转子平均瞬时功率的定子绕组匝间短路故障诊断方法。首先推导出计及高次谐波的双馈异步发电机正常及发生定子绕组匝间短路故障时的转子平均瞬时功率的表达式,然后建立了双馈异步发电机的多回路数学模型,并对其正常和不同程度匝间短路故障时的转子平均瞬时功率进行仿真计算。对仿真结果进行频谱分析,得到定子绕组匝间短路故障前后转子平均瞬时功率谐波分量的变化规律,并验证了理论分析的正确性。分析结果表明转子平均瞬时功率谱直观简洁,其2倍频分量不受转差率影响,高次谐波分量对定子绕组匝间短路故障有较强的灵敏性。

双绕组高速异步发电机控制绕组电流和定子频率的确定

通过电磁场有限元分析方法,计算了实心鼠笼转子双绕组异步发电机不同负载下恒压运行时控制绕组电流和定子频率。根据异步发电机十二相功率绕组和三相控制绕组各自电势、电流相位关系以及两绕组间的空间相对位置,确定了各相量的相位角和除控制绕组电流外其它相量的有效值。由ANSYS中的二维谐波场求出了功率绕组每相感应电势,相电势计算值与给定值一致作为优化目标函数,控制绕组电流有效值与转差频率作为变量,通过直接搜索方法迭代得到变量最终值。控制绕组电流和发电机运行转差率的计算结果与实验结果较为一致,证明了分析方法的正确性。

宽转速运行的定子双绕组异步电机风力发电系统低速轻载运行时的效率优化控制策略

为有效利用低风速区风能,拓宽风能利用范围,对宽转速运行的定子双绕组异步电机(DWIG)风力发电系统低速轻载运行时的效率优化问题进行了研究。简述了该发电系统的拓扑结构和低速运行时的电压控制原理,分析了DWIG低速运行时效率优化控制的基本原理及特殊性,推导了考虑铁损的DWIG数学模型,建立了DWIG损耗模型,获得了最优磁链求解方程,进而提出了一种基于DWIG损耗模型的效率优化控制策略,并给出了具体实现方法。样机实验结果表明,该效率优化控制策略是正确、有效的,它不仅能使系统保持低速运行输出额定电压的优势,而且还能明显提高系统低速轻载运行的效率,从而实现了低风速区风能的有效利用。

新型定子双绕组自激异步发电机的电压调节

为了解决普通异步发电机电压随转速或负载阻抗变化的问题,该文提出了一种新型定子双绕组自激异步发电机。其定子上布置有两套三相绕组,一套为功率绕组,直接给三相整流桥负载供电;另一套为控制绕组,接三相脉宽调制电压型逆变器励磁控制回路。通过调节逆变器输出的无功电流达到调节电压的目的。仿真和实验表明,该文提出的新型发电机是一种电压调节的有效手段。

双馈异步发电机定子匝间短路故障诊断研究

分析双馈异步发电机定子绕组匝间短路故障负序电流的来源,提出以负序电流作为故障特征量进行故障诊断,建立双馈异步发电机仿真模型,通过改变模型中短路匝数和短路电阻的大小实现了匝间短路故障模拟。对仿真发电机在风速恒定的条件下发生定子绕组匝间短路故障进行了模拟。结果表明,定子发生匝间短路故障后,会在定子中增加负序电流分量,定子负序电流的大小随故障严重程度加剧而增加;定子负序电流的大小受发电机负载变化影响很小,有利于轻载状态时定子绕组故障的诊断。

基于转子瞬时功率谱的双馈风力发电机定子绕组故障诊断

提出一种基于转子瞬时功率谱分析的双馈风力发电机定子绕组故障的在线监测与诊断新方法。理论分析表明,与常见的电流或电压谱诊断方法相比,转子瞬时功率谱法既具有无需外加传感器与硬件设备的优点,又由于其特征频率不受转差的影响,当转差存在一定的跟踪或计算误差时,特征频率不会改变,具有很强的抗干扰能力。在PSCAD软件中建立了双馈风力发电机并网模型,对正常及故障状态进行仿真分析,得出转子瞬时功率谱法在双馈风力发电机定子绕组故障诊断中更具敏感性的结论。在动模实验室建立了定子绕组故障诊断的实验平台,进一步证明了转子瞬时功率谱法在双馈风力发电机定子绕组故障诊断中的可行性。

变速运行的双绕组异步发电机控制绕组无功容量的优化分析

新型的静止励磁调节器控制的双绕组异步发电机控制绕组无功容量的最小化是系统优化的关键问题,它与电机参数、负载、转速及变比、功率输出端励磁电容等有很大关系。在分析传统电容励磁的三相异步发电机变速变载运行机理的基础上,研究了变速变负载运行时控制绕组的无功容量最小化时励磁电容的取值方法。所得结论有助于该新型发电机系统的优化设计及控制。

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。

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。

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。

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。