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。

双绕组感应发电机交直流集成发电系统的自抗扰控制策略

针对双绕组感应发电机交直流集成发电系统,为实现简单易调、性能优越、负载适应力强的发电控制,该文提出一种基于线性自抗扰控制器的交直流电压控制策略,通过交流电压和直流电压与控制绕组和功率绕组的传递函数模型,构建交直流电压的线性扩张状态观测器,同时对交流电压有效值、直流电压和电压扰动进行观测,并利用电压和扰动观测值设计线性误差反馈控制律,对交直流电压进行控制。最后,通过仿真和实验验证该控制策略提高电压扰动抑制能力和负载适应性,同时各模块参数可独立设计、控制器结构简单,避免需要较多传感器及降低调参难度。

基于不同绕组形式双定子低速大转矩永磁直驱电机转矩脉动的分析与抑制

双定子低速大转矩永磁直驱电机(DLHPMDM)具有高转矩密度和高效率等优点,是传统低速大转矩传动系统的良好替代方案。DLHPMDM可以看作由内、外两台电机构成的整体。绕组形式选择不仅直接影响内、外电机的转矩性能,内、外电机不同绕组形式的组合还会改变内、外电机输出转矩的叠加效果,最终影响DLHPMDM的转矩脉动水平。首先,基于双定子电机的转矩叠加原理,提出一种抑制DLHPMDM转矩脉动的设计方法,采用解析法分析内、外电机反电动势谐波相位差如何影响纹波转矩的叠加效果,并对内定子采用不同绕组形式时DLHPMDM的转矩性能进行仿真分析和初步验证。其次,考虑到绕组谐波引起的谐波电流对转矩脉动的影响,采用以电压源为激励的有限元分析进一步验证了内、外电机选用合理的绕组形式组合时,内、外电机纹波转矩的叠加削减作用能够有效降低DLHPMDM的转矩脉动。最后,采用转矩脉动最低的设计方案试制了一台DLHPMDM样机并完成相关实验,实验结果验证了分析的准确性。

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。

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。

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。

变速运行的定子双绕组感应发电机电磁优化设计

文中提出了变速运行时通过电机本体参数与励磁电容同时优化来实现双绕组感应发电机控制绕组励磁调节器容量最小的优化设计策略,推导了控制绕组电流与电机参数的关系式,给出了3/3相双绕组结构的dq轴互漏感解耦的选取原则以及变速运行的磁路设计特点,以此建立了具有航空电源特点的优化设计数学模型,并采用动态全域映射收缩算子的复合形法对一种双绕组感应发电机进行了优化设计。样机设计结果表明,该优化设计策略可以有效地降低控制绕组励磁调节器的无功容量、系统成本和体积。

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。

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。

双馈感应发电机定子绕组匝间短路时电磁特征

双馈感应发电机逐渐成为风力发电机的主流机型,其容量越来越大。绕组匝间短路是双馈感应发电机常见的故障之一,为了研究电机定子匝间短路故障时的电磁特征,基于有限元和多回路理论建立了电机的数学模型;采用该模型计算了一台5.5 k W感应电机定子绕组匝间短路时的定转子电流以及电磁场,得到了电机正常与故障两种情况下的磁场分布以及定转子电流的波形。通过对比分析健康电机与故障电机的磁场以及定转子电流,得出了双馈感应发电机定子绕组匝间短路时的故障特征:定子绕组匝间短路使得气隙磁场中出现了分数次以及偶数次谐波,定子三相电流不再对称,三相电流的幅值均有增加,故障所在相的电流增幅最大,且故障相与其超前相的相位角随着故障程度加深而变大且大于120°。

定子双绕组感应发电机阻性负载与整流桥负载的仿真研究

通过仿真手段分别对带整流桥负载和变频交流阻性负载在空载和额定负载下控制绕组励磁变换器电流的变化规律进行对比研究。结果表明,在空载和额定负载以及给定的1:2.5的转速范围内,系统均能输出稳定的给定电压;电容滤波型的整流桥负载,在额定负载低速时和空载高速时呈现微弱的容性,而在最高速额定负载下,呈现的容性较强,整流桥负载的性质与负载大小和发电机转速均有关系。

定子双绕组感应发电机系统建模与实现

针对电力电子变换器控制的新型定子双绕组感应发电机(DWIG),从有功和无功电流的角度分析了系统的工作原理。根据旋转d-q坐标系下简化的数学模型,建立了系统的传递函数,进而设计了PI调节器的参数,通过设计的参数,大大缩短了仿真与实验的调试时间。在Matlab/Simulink下的仿真结果和实验结果,验证了模型的正确性和PI参数设计的合理性。

不同控制策略下定子双绕组感应发电机稳压效果与运行特性分析

针对基于两状态优化开关表的直接功率控制策略的不足,提出了基于三状态优化开关表的直接功率控制策略(IDPCS)。在此基础上,在定子双绕组感应发电机(DWIG)轻载建压、转速变化及负载突变工况下,针对IDPCS与滞环电流控制策略(HCCS)的动态和静态稳压控制效果进行了对比分析,进而对DWIG在上述2种控制策略下的空载调节特性、负载调节特性及效率特性进行了比较。结果表明,无论采用何种控制策略,DWIG均能实现建压,在转速变化、负载突变等工况下均能实现恒压输出,且DWIG运行特性的变化规律一致;HCCS的动态与静态稳压控制效果均优于IDPCS,且随转速升高两者的稳压控制效果均逐渐改善;与HCCS相比,采用IDPCS可使DWIG效率更高,尤其在高速情况下。

双绕组感应发电机定子槽漏感计算研究

定子漏电感是定子漏感参数的重要组成部分。双绕组感应发电机定子上两套绕组的结构与分布比传统的三相电机更复杂。采用解析法对不同绕组结构的双绕组感应发电机定子槽漏电感进行了系统地分析,导出了两套绕组槽自漏感、互漏感与节距之间的关系式,对电机设计有一定帮助。

海上双馈感应发电机定子绕组匝间短路容错技术可行性分析

受海洋恶劣环境影响,海上双馈感应发电机(DFIG)定子绕组匝间短路故障频发,伴随海上可及性差引起的故障维修困难、停运损失巨大,使得容错技术需求日趋迫切。文中根据DFIG定子绕组匝间短路故障特点,构建精确通用的定子绕组匝间短路模型。针对故障后定子电流负序分量幅值增大而严重影响DFIG正常运行的问题,分离各序分量并提取定子负序电流,通过在转子侧输入相应的谐波电压来抵消定子侧负序电流,构建负序电流控制器以抑制故障后定子相电流的负序分量。仿真与实验结果验证了该方法可以有效降低DFIG定子绕组匝间短路故障后的定子负序电流幅值与输出功率脉动。