无刷双馈电机研究综述与展望

无刷双馈电机具有结构可靠、变频器容量小等优势,非常适合灵活运行于防爆、易燃等特殊或极端工况,近年来受到广泛关注。该文根据无刷双馈电机的基本工作原理,明确了该类电机的命名原则与规范名称;总结了现有定转子方案的结构及性能特点,综合考虑性能指标与结构工艺,提出了转子双套绕组的发展方向;梳理了无刷双馈电机的稳态等效电路模型及基于各类数学模型的优化设计方法,针对现存难以完整考虑不同转速工况性能的不足,阐明了利用新型同步-异步相串联等效电路进行优化设计的思路;对比分析了经典及新近出现的无刷双馈电机控制系统拓扑和控制策略特点,面向典型电动、发电工况建立了完整的电机及控制系统。最后,对无刷双馈电机的上述理论研究问题及工业应用的发展方向进行了总结阐述,为该类电机的深入研究及加快推广应用提供参考和指导。

基于智能卸荷电路的双馈风电机组故障穿越控制

双馈风电机组并网比例不断提高,加剧了电网遭遇外部故障导致规模化脱网问题。文章介绍了现有风机故障穿越控制方案的原理,考虑到频繁投切直流卸荷电路电阻易引起电压波形畸变、超级电容器控制方案成本过高等问题,提出了基于智能卸荷电路的双馈风电机组故障穿越控制方案。该方案将卸荷电阻通过DC/DC变换器与直流母线相连,在控制电路中引入有功功率-直流母线电压的下垂控制环节,实现故障期间电路电阻吸收功率的动态调节,同时设置高、低电压穿越两种模式,根据并网点电压变化情况自主启动。最后,在Matlab/Simulink中对智能卸荷电路控制策略进行验证。仿真结果表明,基于智能卸荷电路的风电机组故障穿越控制策略在直流母线电压抑制、电压恢复所需时间、转子电流畸变程度和方案经济成本等方面具有优势。

计及低电压穿越及故障全过程动态的双馈风电场等值方法

在分析双馈感应发电机(DFIG)故障各阶段动态的基础上,提出了一种计及低电压穿越控制的双馈风电场等值方法。首先,讨论了低电压穿越控制策略,给出了含双馈风电场的电力系统故障稳态潮流计算方法。在考虑电压暂态过程的条件下,分析了外部系统短路故障后DFIG转子电流的变化机理,指出电压跌落深度及风电功率是影响短路电流的主要因素,可根据动作分界线判断撬棒是否动作。然后,根据初始风速及撬棒状态将风电场中的DFIG分为3群,并对等值DFIG及集电网络进行聚合。为提高等值模型在恢复阶段的精度,根据故障稳态电压对双馈风电场功率恢复曲线进行预估,并在此基础上对等值DFIG恢复速率进行分段修正。最后,对含双馈风电场的算例系统进行了等值计算。仿真结果表明,等值模型较好地保持了原系统在故障各阶段的动态,在保持较高精度的前提下有效简化了系统,提高了计算速度。

轨道交通能量互馈式交流牵引传动综合测试系统的设计

针对轨道交通牵引传动系统性能测试与特性试验需求,设计一种列车交流牵引传动测试系统。系统由四象限整流器、DSP控制单元、牵引变流器、负载变流器、牵引电机与负载电机组成。牵引变流系统采用全新的“双变流器--交流电机负载反馈”方案,能量通过直流侧在牵引电机与负载电机之间互馈,避免试验过程中能量的大量消耗。系统可实现牵引变流器的牵引/制动工况性能测试,牵引电机性能测试、特性试验与功率测量,具有高智能化与自动化、安全可靠、测试准确度高、能量利用率高的优点。

集中式馈线自动化配电网供电可靠性评估

计及集中式馈线自动化的配电网可靠性评估尚存在较多研究空白,且多数研究仅计及故障停电的影响,在考虑预安排检修容量约束的情况下,计及负荷转供影响,结合馈线自动化的类型及运行逻辑,依据馈线自动化相关技术指标,对恢复供电过程中出现的负荷点进行详细分类,推导出不同类型负荷期望恢复供电时间和配电网供电可靠性指标计算公式。结合算例进行分析可知,不同终端配置下馈线系统平均停电持续时间SAIDI可减少0.95~1.08 h/(用户·a),说明了优化终端配置可有效提高配电网供电可靠性,证明了所提评估方法的准确性和实用性,并比较了不同终端配置对可靠性的影响。

不平衡电网下无刷双馈风电系统的虚拟同步发电机控制

无刷双馈发电机(brushless doubly-fed reluctance generator,BDFG)在风力发电领域有着广阔的应用前景。基于虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)的无刷双馈风电系统具有一定的电网频率支撑能力,但在电网电压不平衡工况下运行性能较差。提出了一种不平衡电网工况下无刷双馈风电系统的虚拟同步发电机策略,来降低不平衡的电网电压对BDFG系统的影响;其核心思想为使用原有BDFG-VSG来控制正序分量,在功率绕组正向同步旋转坐标系下使用基于降阶广义积分器(reduced order generalized integrator,ROGI)的直接谐振控制调节负序分量。详细分析了电网电压不平衡对BDFG各电量的影响,据此提出了5种可供选择的优化目标,最后通过仿真验证了该策略的有效性。所提出的策略可抑制不平衡电网工况下BDFG的各电量中的负序分量或二倍频分量,无需计算负序电流的参考值,对电网具有友好性。

不平衡磁拉力作用下无刷双馈电机的转子振动特性研究

无刷双馈电机长时间运行会出现转轴弯曲、轴承磨损等状况,导致气隙动偏心,并因此产生不平衡磁拉力,影响转子系统动力学特性。为了研究由不平衡磁拉力引起的转子振动特性问题,建立Jeffcott转子动力学模型,得出考虑不平衡磁拉力作用下转子系统的振动微分方程组,并对其自由振动响应进行了计算。以某型号无刷双馈电机的样机尺寸为例,分析气隙动偏心状态下电机气隙长度、转子材料及几何尺寸等对电机振动特性的影响,并利用Runge-Kutta法对振动微分方程组进行分析,结果表明:当转子动偏心率较小时,利用该转子系统的振动微分方程组计算出的解析解与数值计算结果吻合较好,转子的一阶振幅误差仅为0.2%,二阶振幅误差为2%,具有较高的精度且计算较为简便,为电机的高可靠运行提供理论支撑。

面向季节性短时高峰负荷的虚拟配电馈线功能架构及协同配置

传统线路增容方式面对季节性短时高峰负荷时存在线路整体利用率低、紧急功率支撑能力差等问题。因此,文中以功能虚拟化为核心,研究了传统配电馈线与储能元件融合的虚拟配电馈线功能架构,利用双端储能元件搭建虚拟电能传输通道,以应对季节性短时高峰负荷、延缓传统线路增容改造工程,并在非高峰时期提供紧急功率支撑和辅助服务功能,提高储能元件整体利用率。为充分挖掘虚拟配电馈线的灵活传输和紧急功率支撑潜力,提出了配电网线路增容优化配置模型,在保证经济性和满足高峰负荷需求的前提下,优化虚拟配电馈线储能配置。算例研究表明,虚拟配电馈线能够有效延缓传统线路增容改造工程、应对季节性短时高峰负荷;对于线路负荷增长较稳定、线路长度较长和设计延缓增容年限较短的配电区域,虚拟配电馈线的优势更加凸显。

基于改进自适应陷波的双馈风电场时变次同步振荡抑制策略

双馈风电场经串补电容并网时,可能引发次同步控制相互作用(subsynchronous control interaction,SSCI),严重威胁系统安全稳定运行。通过在风机控制器中引入陷波器可有效阻断SSCI,然而固定参数陷波器难以适应实际系统中次同步振荡表现出的频率大范围时变特征。为解决这一问题,该文提出一种基于改进自适应陷波(adaptive notch filter,ANF)的双馈风电场时变次同步振荡抑制策略。首先,分析ANF安装于风机转子侧变流器(rotor-side converter,RSC)不同位置时对次同步振荡分量的阻断效果,确定ANF的最佳安装位置;其次,基于紧缩技术近似投影子空间跟踪算法(projection approximation subspace tracking based on the deflation technique,PASTd)在线获取次同步振荡信息,提出总体控制架构,设计基于量测数据辨识的ANF中心频率更新策略;最终,在考虑风速、风机台数、无功出力、电网拓扑变化等多种影响因素的情况下,验证控制策略对频率时变次同步振荡的抑制效果。与现有方法相比,所提控制策略不依赖于系统的准确数学模型,且具备较强的鲁棒性和适应性。

多馈入直流换相失败与同步电网交互影响机理研究评述

换相失败场景下交直流交互影响机理是多馈入直流系统安全稳定控制决策前提。从直流换相失败分类及机理、换相失败影响因素、换相失败评价指标及风险评估4个方面梳理了换相失败与同步电网交互影响机理研究现状,并从直-交、交-直两个角度分析了交直流电网的交互影响,最后介绍了基于受扰轨迹知识提取的交直流系统量化分析方法及应用现状,实例分析单直流换相安全评估方法推广至多直流连续换相失败的可行性,指出基于关断角受扰轨迹提取的量化分析方法能实现多馈入直流换相安全量化评估和换相安全性与系统稳定性的交互影响分析,后续应该理论分析多馈入直流换相失败场景下电压和频率跌落可接受性量化评估的适应性,在多维量化指标空间内,深入探讨同步电网多时间尺度复杂动态响应对多馈入直流换相安全的影响规律,揭示多馈入直流换相失败与同步电网动态响应相互作用机理。

基于传递函数分析的双馈风力发电系统动态建模方法研究

以双馈风力发电系统(doubly-fed induction generator based wind energy conversion system,DFIG-based WECS)为例,利用小信号分析法推导出由风机、双质量块传动链构成的动力与传动系统通用传递函数方程。动力与传动系统传递函数的零极点位置、稳定性与系统参数及系统运行工作点相关。该传递函数可进一步分解为扭转分量和非扭转分量。传动链参数仅对扭转分量造成影响。在此基础上,建立了考虑动力传动、电机、变流器、控制等环节的风力发电系统传递函数模型。模型综合了各环节参数,可直观反映系统参数对系统响应的影响,有助于深入了解系统动态行为。算例及时域仿真结果证明了所提出传递函数模型的准确性和高效性,可为系统参数设计研究提供理论依据。

基于定子电流法的绕线转子无刷双馈发电机偏心故障研究

绕线转子无刷双馈电机在船舶轴带发电以及风力发电等领域中具有良好的应用前景。转子偏心是一种常见的机械故障,威胁着现代化工业体系的稳定运转,因此实现其状态检测和故障诊断非常关键。由于无刷双馈电机具有特殊的定、转子绕组结构以及复杂的气隙磁场,因此传统的故障检测方法无法直接用于该类电机。该文通过定子电流法提取了功率绕组电流的特征频率分量作为故障指标,实现对静偏心、动偏心以及混合偏心的无创诊断。建立故障电机的时步有限元模型,并通过详细的故障机理分析,得出不同类型的偏心故障可能导致的特征频率信号。最后,以一台2/4对极无刷双馈电机为例,并通过有限元仿真、样机试验验证解析法的结论,为绕线转子无刷双馈电机偏心故障的精准检测提供了理论依据。

非理想运行条件下双馈感应发电机转矩脉动抑制方法综述

在非正弦和不平衡运行条件下,双馈感应发电机会面临显著的转矩脉动问题,严重威胁系统的安全稳定运行,因此有必要采取转矩脉动抑制措施。近些年,诸多学者针对该问题进行了广泛研究,并取得了一系列的科研成果,但鲜有对其进行总结归纳的文献。为此,该文首先介绍了双馈感应发电机系统结构,分析了非正弦和不平衡运行条件下转矩脉动成因,并明确了转矩脉动抑制的主要目标。其次,从硬件结构改进法和控制策略改进法两方面对现有技术方案进行归类总结,并从七个维度进行综合对比分析。最后,从软硬件协同抑制、参数鲁棒性提升、谐波损耗抑制和故障穿越四个方面对双馈感应发电机转矩脉动抑制方法的未来发展趋势进行了展望。

大风区段开孔式挡风墙对正馈线气动特性的影响

兰新高速铁路常年遭受风灾,挡风墙的修建虽有效防止了列车倾覆,但加剧了接触网正馈线的舞动。针对大风区段既有挡风墙“防车不防网”的不足,通过设计一种开孔式挡风墙,基于流体力学理论建立计算域模型,对挡风墙的防风效果进行评估,并仿真分析挡风墙孔隙率及开孔角度对于正馈线气动特性响应的规律。结果表明:挡风墙设置一定孔隙率后,会冲击挡风墙后形成的旋涡流场,使流场趋于平稳;随着孔隙率的增大挡风墙尾流接触网正馈线位置处气流增速区范围大幅减小,且正馈线气动力系数呈明显降低趋势;当挡风墙孔隙率为0.3时,挡风墙背风侧风速残余系数为0.46~0.69,此时正馈线升、阻力系数下降率分别超过41.56%和24.59%;在孔隙率为0.3,且挡风墙设置150°开孔角度时,正馈线气动力系数相较其他角度降幅明显,从而对于正馈线的舞动可以起到进一步的抑制作用。研究成果可为兰新高铁大风区段接触网正馈线舞动防治及挡风墙优化提供一定的理论参考。

主动支撑电网的双馈风电场故障功率协调控制方法

风电持续开发建设使同步发电机渗透率降低,电力系统抗扰能力不断下降。双馈风电场(doubly-fed wind farm,DFWF)内部故障后,双馈风电机组(doubly-fed wind turbine,DFWT)的切除导致电力系统出现功率缺额,可能威胁系统安全稳定运行。为此,利用故障期间DFWT机械功率与电磁功率不平衡累积的暂态能量,提出了主动支撑电网的双馈风电场故障功率协调控制方法。分析了DFWF内部故障特征,提出了故障全过程功率协调控制的思想。推导了DFWF内部故障下DFWT的转速解析表达式,分析了DFWT暂态能量的特征并给出了最大暂态能量的计算方法。在此基础上,给出了DFWT功率支撑控制参考值与功率支撑控制时间的计算方法,并提出了DFWT故障功率协调控制策略。算例表明,DFWF故障功率协调控制可利用暂态能量最大限度地提供功率支撑,降低DFWF内部故障对电力系统的影响。

股票市场正反馈交易的空间溢出效应——基于新冠疫情冲击的计量检验

利用空间自相关正反馈交易模型,对新冠疫情爆发前后国际股票市场的正反馈交易进行了检验.结果表明,新冠疫情爆发后国际股票市场正反馈交易显著增强并呈现空间相关特征.相关国家反危机的调控措施,虽然一度抑制了股票市场下行,但同时强化了投资者非理性的外推性预期,加剧了股票市场正反馈交易的空间溢出效应.因此,在新冠疫情不断持续的情况下,监管当局应充分考虑反危机调控措施对投资者心理账户和市场预期的影响,防范疫情冲击下股票市场正反馈交易空间溢出的风险联动效应.

工程车辆直线电机馈能悬架能量回收分析与参数优化

目的为了回收工程车辆在行驶过程中由于路面不平度引起的车身振动能量,同时解决馈能悬架系统的动力学性能和馈能性能不协调问题,方法首先,提出一种直线电机与减振器并联的馈能悬架系统结构,通过建立馈能悬架系统的二自由度动力学模型,利用天棚控制提高车辆的平顺性;其次,以悬架减振器阻尼作为优化设计变量,结合直线电机式馈能悬架的馈能性能、平顺性和安全性建立优化目标函数,采用遗传算法控制策略对馈能悬架的馈能性能进行优化,以获得全局最优解,解决馈能悬架的平顺性和馈能性能的协调问题;最后,通过MATLAB/Simulink对馈能悬架系统性能进行仿真。结果仿真结果表明:与被动悬架相比,天棚控制下的馈能悬架车身加速度、轮胎动载荷、悬架动行程均方根值分别减小25.40%,17.76%和32.58%;利用遗传算法对馈能悬架的动力性能和馈能协调性能优化,优化后馈能悬架的动力学性能相比优化前有一定恶化,但与被动悬架的动力学性能相比提高显著,而蓄电池平均回收能量提高了15.22%,馈能性能提高显著。结论本文提出的直线电机和减振器并联结构的馈能悬架系统装置能够回收工程车辆悬架系统的振动能量,采用遗传算法协调控制策略能够兼顾馈能悬架的动力学性能和馈能性能,并使馈能性能得到显著提高。

适用于双馈风电场送出线的纵联方向保护研究

考虑风电场接入电网时,传统方向元件在短路故障发生时易受到风电场内部电力电子器件动态特性的干扰影响,导致频率特性偏移,系统参数不稳定和弱馈性等问题,使继电保护装置不能及时或正确判断故障发生区域。针对上述问题,首先对含有风电场的故障附加网络进行分析,寻找故障发生后纵联保护安装处各测量点电气量之间的关联性,确定其故障逻辑关系。其次通过对常用的相模变换解耦方式进行分析,选择一个合理的方法代入相关性表达式,根据相关系数值完成故障区域判定。最后利用PSCAD/EMTDC搭建双馈风电场并网模型,设置各种不同的故障类型和场景,并利用Matlab进行保护算法验证,检验故障区域判断结果,验证所提保护方法的正确性与合理性,并且仿真结果表明该方法具有较高的可靠性。

混合多馈入直流输电系统中LCC分层接入方式下后续换相失败抑制策略

随着直流输电的发展,LCC-HVDC与VSC-HVDC将不可避免的馈入同一区域电网,我国部分地区已经形成了混合多馈入直流输电系统,而受端LCC分层接入方式能够提高混合多馈入直流输电系统的电压支撑能力。受端分层接入方式下特高压直流输电工程在本层阀组发生换相失败时,由于层间耦合关系,可能引发非故障层阀组同时发生换相失败。提出基于MMC快速无功支援与LCC非故障层超前触发角补偿的协调控制策略,根据不同交流电压跌落程度,考虑受端MMC四象限运行能力向受端LCC非故障层提供无功支援,需要的无功支援量在MMC四象限运行范围内时,仅由MMC进行无功支援,利用公共耦合母线的电压跌落值确定MMC无功支援指令值。需要的无功支援量超过MMC四象限运行范围内时,MMC无功支援指令值为四象限运行有功临界值时的无功最大值,同时启动LCC非故障层的超前触发角补偿控制。大量仿真测试表明所提协调控制策略对高低端逆变器同时发生换相失败的抑制效果明显。

不同槽配比下绕线式无刷双馈电机性能对比研究

无刷双馈电机由于结构简单、可靠性高、变频器容量小等优点在恒频变速发电领域受到广泛关注,其定转子的槽数配比对电机性能与振动具有一定程度的影响。为探究这一问题,该文以绕线式无刷双馈电机定转子磁势分析为基础,推导不同槽配合的电磁力波对比以及槽配合对电机性能的影响,给出3种符合要求的槽配比方案,计算出各方案转子绕组谐波,并进行对比分析;利用有限元法对48/36槽、42/36槽与36/30槽3种方案在相同要求下的负载性能进行研究,导出定子齿部电磁力,对电机进行振动响应分析对比;最后,通过样机试验,验证有限元仿真的正确性,同时试验结果也证明所选槽配合下电机具有振动形变量小、转子电流小、系统输出电压和效率高、饱和程度低等优点。