基于瞬時轉差頻率控制的定子雙繞組異步電機變頻交流發電系統

卜飛飛 黃文新 胡育文 史經奎 施 凱

（南京航空航天大學江蘇省新能源發電與電能變換重點實驗室 南京 210016）

1 引言

隨著多電/全電飛機、坦克的發展，機載、車載中的電子設備和電力作動器不斷增加，并對電源系統提出了大容量、高性能等新要求。從目前的研究來看，除高壓直流電源系統外，變頻交流電源系統也是一個重要發展方向，如最新的大型民用客機B787 和A380 均采用了變頻交流電源系統[1,2]。

在變頻交流電源系統中，由于要輸出正弦交流電，目前國內外主要采用同步電機作為其主發電機，對其他類型發電機則研究較少[3]。盡管同步電機在變頻交流電源系統中已得到了實際應用，且技術成熟、穩態性能較好，但該發電系統也存在一些不足。例如，為實現無刷化，發電機采用了“永磁機—勵磁機—主發電機”這種復雜的三級式結構；轉子上裝有旋轉整流器，使轉子結構復雜，影響系統可靠性，不宜高速運行；電機的體積重量較大；電壓閉環調節包括勵磁機、主發電機、電壓調節器等多個環節，動態性能不理想[3-5]。

籠型異步電機因其結構簡單、成本低、可靠性高、功率密度高等優點越來越成為機載、車載獨立電源系統的重要選擇[6]，特別是近年來隨著電力電子技術的發展，三相異步電機的發電品質和性能得到了大幅提高，因而它備受青睞[7]，但這些研究主要是針對恒頻交流或高壓直流電源系統而開展的，未涉及變頻交流電源系統。此外，在這類發電系統中，存在電力電子裝置體積重量較大，給負載引入諧波等問題，這使得三相異步電機在上述領域中的應用和發展受到了一定限制[6-8]。

定子雙繞組異步電機（DWIG）是21 世紀初提出的一種新型籠型異步電機，它繼承了普通籠型異步電機的優點，克服了其缺點和不足，以獨特結構和諸多優勢受到了廣泛關注[9-18]。該發電機的定子上有兩套繞組，它們在電氣上沒有直接連接，僅通過磁場耦合，功能分開，易實現高性能控制，可直接輸出變頻交流或經整流輸出高壓直流，能變速變負載運行，且控制器容量較小。因此，它很適合應用于高性能的獨立電源系統中。然而，目前對該電機的研究主要集中于高壓直流電源系統[10-18]，有必要對其進行新的探索和研究。為拓展該發電機的應用范圍并發揮其優勢，本文提出研究DWIG 變頻交流發電系統，以適應大容量、高性能機載、車載獨立電源系統的供電要求和發展趨勢。

DWIG的發電品質和運行性能很大程度上取決于所采用的控制策略。從現有的文獻資料來看，DWIG 系統的電壓調節主要是基于“調磁調壓”的思想來實現的，它根據輸出電壓的誤差，通過磁場定向或電壓定向的方法，利用電流環來調節勵磁電流，進而改變發電機的內部磁場，以達到穩定輸出電壓的目的[9-13,16-18]。由于電機勵磁電感一般較大，再加上只利用了輸出電壓的誤差，因此，這類以電流環為基礎的控制策略雖可使系統在變速變負載時穩定運行，但很難實現對輸出電壓的快速調節。

本文基于功率平衡的思想，對DWIG 系統輸出電壓變化的原因進行了分析，提出了基于瞬時轉差頻率控制的DWIG 變頻交流發電系統電壓控制策略。該策略省去了復雜的坐標變換和影響動態性能的電流環，它綜合考慮輸出電壓和輸出電流二者的變化信息，利用電壓矢量來控制DWIG的瞬時轉差頻率，以改變發電機的電磁轉矩，實現系統輸入輸出功率平衡，從而使發電系統在不同的運行狀況下都能保持良好的動靜態性能。

2 DWIG 變頻交流發電系統

圖1 為本文所提出的DWIG 變頻交流發電系統，它由原動機、DWIG、變換器、濾波器、負載等組成。該發電機的轉子仍為籠型結構，其定子上布置了兩套繞組，一套為三相功率繞組，接有輸出濾波器，可直接為照明、加熱等對頻率不敏感的交流負載及整流性負載提供電能，對頻率敏感的負載（如電機，電力作動器等）可通過電力電子變換器供電；另一套為三相控制繞組，接有濾波電感和變換器，采用合適的控制策略，可使該發電系統的輸出電壓保持穩定。兩套定子繞組的極對數相同，因而它們具有相同的工作頻率。同時，由于兩套繞組只有磁場耦合，沒有電氣連接，所以變換器產生的諧波對負載的影響較小，提高了系統的電磁兼容性和效率，便于實現高性能的控制和輸出高品質的電能[10-12]。在該發電系統中，除功率繞組輸出變頻交流電能外，控制繞組側直流母線還可提供高壓直流電能，實現交直流同時供電，易構成混合電源系統。

圖1 定子雙繞組異步電機變頻交流發電系統框圖Fig.1 The diagram of dual stator-wingding induction generator variable frequency AC generation system

3 DWIG 變頻交流發電系統瞬時轉差頻率控制策略及實現

在發電系統中，輸出電壓發生變化的根本原因是系統發出的電磁功率與負載實際需求的電功率不平衡[19]，若發出的電磁功率大于所需的電功率，輸出電壓就會上升，反之則會下降。因此，在系統運行狀況發生變化時，尤其是負載發生突變時，若能快速實現功率平衡，就可保證輸出電壓穩定，從而從本質上提升發電系統的動態性能。

3.1 瞬時轉差頻率控制方法

轉速和負載的變化都會造成輸出電壓的變化，轉速變化一般較慢，而負載變化很快，可突變。若對于劇烈的負載變化系統能保持輸出電壓穩定，那么相對于緩慢的轉速變化則更能勝任。因此，本文著重對負載變化時輸出電壓的控制方法進行研究。

若不計發電系統的損耗，當系統進入發電狀態后，由機械功率轉化的電磁功率在任何瞬時都應與負載消耗的電功率相平衡。即有

式中Te—電磁轉矩；

ωr—電機轉速，由于機械時間常數遠大于

電氣時間常數，在分析電磁過程時，

ωr可視為常數；

Pout—負載消耗的電功率。

當負載突變時，輸出電流則迅速變化，負載功率也隨之變化。根據式（1），若要保持輸出電壓穩定且具有良好的動態性能，電磁轉矩的變化應快速跟上輸出功率的變化且與其保持正比，即

在異步電機中，電磁轉矩的大小與其轉差頻率是息息相關的。若氣隙磁通的幅值φm保持不變，在轉差頻率ωs不大于最大轉差頻率ωsmax的穩定運行范圍內，電磁轉矩與轉差頻率近似成正比[20-23]。

根據式（3），只有氣隙磁通的幅值保持不變，上述結論才成立，這既是瞬時轉差頻率控制的前提，也是其限制條件[20-23]。對于發電系統，輸出電壓保持穩定且系統能輸出額定功率是其重要目標，發電機常工作于額定轉速之上的恒功率區。由于發電機輸出電壓的大小與氣隙磁通幅值近似正成正比，因此，在恒功率區，氣隙磁通幅值需隨著轉速的變化而變化，以進行弱磁控制，那么對于由傳統異步電機或新型DWIG 構成的發電系統而言，能否采用轉差頻率控制？

獨立電源系統的原動機為發動機，其轉速經常變化，發電機的轉速隨之變化，氣隙磁通的幅值也應相應變化。但整個系統的慣量較大，轉速變化是一個機械過程，變化緩慢，時間常數較大。而發電系統控制的是輸出電壓和功率，是電氣過程，變化迅速，時間常數很小。因此，在電氣控制周期內（如100μs），轉速可認為是不變的，自然氣隙磁通的幅值也就不需要改變，即滿足式（3）的限制條件。

上述分析可知，對于異步電機發電系統而言，由于機械時間常數遠大于電氣時間常數，所以隨轉速變化而進行的弱磁控制與瞬時轉差頻率控制要求的氣隙磁通幅值保持恒定并不矛盾。因此，對于DWIG 變頻交流發電系統中，可以采用瞬時轉差頻率控制。圖2 給出了本文研究的DWIG 變頻交流發電系統瞬時轉差頻率控制方法的示意圖。當轉速或負載發生變化，控制系統根據負載電功率的變化，迅速準確地調節轉差頻率的大小，以對電磁轉矩進行控制，同時，還應根據轉速變化合理調節氣隙磁通的幅值，從而保持輸出電壓穩定。

圖2 DWIG 變頻交流發電系統瞬時轉差頻率 控制方法示意圖Fig.2 The method of instantaneous slip frequency control for DWIG variable frequency AC system

3.2 瞬時轉差頻率控制的實現

瞬時轉差頻率控制的關鍵是系統運行于不同工況時轉差頻率和氣隙磁通的合理調節。若在異步電機調速系統中，可以通過控制所施加在定子繞組上的電壓頻率和幅值來實現。但對于DWIG 變頻交流發電系統，三相變頻交流電壓直接從DWIG的功率繞組輸出，這樣調速系統中的實現方法就不再適用，那么在該發電系統中如何實現瞬時轉差頻率控制是一個新穎而現實的問題。

DWIG 有兩套定子繞組，一套為功率繞組，用來輸出電能，另一套為控制繞組，接有電力電子變換器，用來對發電系統進行控制。這兩套繞組具有相同的極對數且匝鏈同一磁場，通過改變控制繞組磁通即可調節功率繞組的磁通[10-18]。此外。對于電感而言，它的電流不可突變，但電壓卻可以。因此，在DWIG 變頻交流發電系統中，利用變換器來調節施加在控制繞組上的電壓頻率和幅值，從而實現對轉差頻率的快速調節和功率繞組磁通的合理控制。

3.2.1 變換器輸出電壓頻率的確定

由式（2）和式（3）可知，當負載突變，為了保證輸出電壓調節的快速性，應根據負載功率的大小迅速調節轉差頻率，本文采用了P 調節器作為瞬時轉差頻率前饋控制。控制側直流母線電壓穩定是變換器正常工作的必要條件，為克服變換器等器件損耗所造成的直流母線電壓的變化，直流母線電壓的誤差也用來調節轉差頻率，采用的是PI 調節器。因此，轉差頻率的給定可由下式來表示

式中，P(x)=kpx；PI(x,y)=kp(x-y)+ki∫(x-y)dt；

Pout—實際負載功率，可由功率側三相電壓和電流瞬時值的乘積得到，即Pout=upaipa+upbipb+upcipc。

當氣隙磁場轉速低于轉子轉速且同向旋轉時，異步電機工作在發電狀態。所以，轉子轉速減去轉差頻率即可得到變換器應輸出電壓的頻率ω*，即

3.2.2 變換器輸出電壓幅值的確定

因此，從提高學生的學習興趣和學習能力入手，整合信息化教學手段，是提高課堂教學效果的最佳途徑和方法，同時在實施過程中也面臨著諸多困難與挑戰。現代信息化手段如何與課堂教學完美融合來提升教學效果，進而提高專業人才培養質量，必將是教師工作者努力探索的方向和目標。

由于本發電系統工作在額定轉速之上的恒功率區，根據異步電機基本原理，變換器輸出電壓的幅值應保持恒定以實現弱磁控制，但考慮到損耗、計算誤差、發電機漏感及控制側濾波電感上的壓降等因素對輸出電壓調節精度的影響，輸出電壓的誤差也用來對變換器輸出電壓的幅值進行調節，故變換器輸出電壓幅值的給定值V*可表示為

式中，V是根據兩套繞組之間的匝比關系N而確定的變換器輸出電壓幅值的基礎值，即。

3.2.3 變換器輸出電壓的調制策略

當變換器輸出電壓的頻率和幅值確定后，再利用合適的調制策略產生控制信號去驅動變換器，即可得到相對應的輸出電壓，通常采用的調制策略有正弦波脈寬調制（SPWM）和空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）。

基于上述分析，給出了DWIG 變頻交流發電系統瞬時轉差頻率控制策略框圖，如圖3 所示。

4 實驗驗證

根據圖 3 所示的控制策略框圖，研制了一臺15kW 車載取力DWIG 變頻交流發電系統，并進行了一系列實驗驗證，主要包括系統建壓和關機實驗，靜態和動態運行實驗以及變速運行實驗。變換器由Mitsubish IPM 模塊構成，處理器選擇的是Freescale公司的MC56F8346 DSP，系統控制周期為100μs，調制策略為SPWM。發電機由1∶3的增速齒輪箱拖動，轉速范圍為2 700～8 100r/min。發電機轉速由測速傳感器獲得。輸出濾波器由LC 組成，負載 為三相對稱阻性負載。控制側直流母線電容為1 100μF/DC 500V，控制側濾波電感為0.75mH，蓄電池電壓為24V。該發電系統的其他主要參數如下：發電機極對數為2；額定功率為15kW；額定轉速為2 700r/min；轉速范圍為1∶3；額定輸出電壓為AC 380V（90～270Hz）；控制側直流母線電壓為 DC 400V。功率繞組與控制繞組匝數比N=2∶1。

圖3 DWIG 變頻交流發電系統瞬時轉差頻率控制策略框圖Fig.3 The diagram of instantaneous slip frequency control strategy for DWIG variable frequency AC system

4.1 系統建壓和關機實驗

能否成功建壓是整個系統運行的基礎和前提，本發電系統建壓由開環和閉環兩個階段完成，首先是開環建壓，采用SPWM調制策略對變換器進行控制，由安裝在控制側的24V蓄電池通過變換器產生一個頻率低于轉子轉速的電壓，為發電機提供初始勵磁無功，DWIG立即進入超同步發電狀態，控制側直流母線電壓上升，當其上升到閉環設定值時，系統切換到圖3所示閉環控制進行閉環建壓，為了避免沖擊，保證建壓成功，電壓給定值按斜坡方式逐步上升，這樣功率繞組輸出的三相變頻交流電壓和控制側直流母線電壓隨之上升至給定值，系統建壓結束。類似地，為保證系統可靠關機，斜坡給定方式也應用于關機過程中。圖4給出了系統在額定轉速2 700r/min時空載建壓和關機實驗波形，可見，該發 電系統能成功可靠地建壓和關機，各電流、電壓均無沖擊和超調。

圖4 轉速為2 700r/min時系統建壓和關機實驗結果Fig.4 Experimental results for the voltage setup and closedown at the speed of 2 700r/min

4.2 穩態運行實驗

圖5 和圖6 為DWIG 變頻交流發電系統在瞬時轉差頻率控制下的穩態運行實驗結果。

圖5 轉速為3 000r/min時穩態實驗結果Fig.5 Experimental results for the steady state at the speed of 3 000r/min

圖6 轉速為7 500r/min時穩態實驗結果Fig.6 Experimental results for the steady state at the speed of 7 500r/min

4.3 動態運行實驗

當系統在3 000r/min 運行時，負載功率由空載突加至滿載 15kW，輸出電流的幅值由零突增至32A，功率繞組輸出的三相交流電壓未出現較大沖擊和畸變，恢復時間約為8ms，實驗波形如圖7a 所示。待系統運行穩定后，再由滿載突卸至空載，實驗波形見圖7b，輸出電壓的變化較小，且能快速恢復至穩定狀態，恢復時間約為9ms。

圖7 轉速為3 000r/min時突加突卸滿載實驗結果Fig.7 Experimental results for the step change of full load at the speed of 3 000r/min

為進一步驗證該發電系統的動態性能，按同樣的實驗方法，在其他轉速下也進行突加和突卸滿載實驗，輸出電壓波形較好，恢復時間均小于10ms，表現出良好的動態性能，由于實驗結果與圖7 類似，這里不再一一給出。值得一提的是，在突加和突卸滿載實驗過程中，控制側直流母線的電壓同樣具有良好的動態性能，這為下一步研究交直流同時供電的DWIG 混合發電系統奠定了基礎。

4.4 變速運行實驗

在發電系統中，轉速變化同樣會造成輸出電壓的變化。為了說明能在負載突變時具有良好動態性能的瞬時轉差頻率控制同樣能在轉速變化時保持系統輸出電壓穩定，對轉速變化時系統運行情況進行了實驗研究。當系統在4 500r/min 滿載穩定運行時，發電機轉速在 1s 內迅速從 4 500r/min 上升至5 500r/min，三相輸出交流電壓和控制側直流母線都能保持穩定，系統運行情況良好，實驗波形如圖8所示，這與3.1 節的分析是一致的，進一步說明了瞬時轉差頻率控制策略的正確性和有效性。

圖8 轉速1s內從4 500 r/min增加到5 500r/min的實驗結果Fig.8 Experimental results for the system with the speed rapidly increasing from 4 500 r/min to 5 500r/min within 1s

5 結論

本文對定子雙繞組異步電機變頻交流發電系統進行了研究，根據功率平衡的思想和瞬時轉差頻率控制的基本原理，提出了基于轉差頻率控制的DWIG 變頻交流發電系統電壓控制策略。該控制策略綜合考慮了輸出電壓和輸出電流二者的變化信息，利用電壓矢量去調節發電機的瞬時轉差頻率，進而改變電磁轉矩，保證輸出電壓穩定，它的物理概念清楚，結構簡單，無需復雜的坐標變換和影響動態性能的電流環。該發電系統能在1∶3的寬轉速范圍內穩定運行，且具有良好的動靜態性能，動態恢復時間小于10ms，可大大提高機載、車載電源系統的供電品質和性能，為高性能電子設備和武器裝備的正常運行提供電源保障。

本文研究表明，DWIG 變頻交流發電系統的進一步研究和發展可為大容量、高性能獨立電源系統提供一個有競爭力的方案。

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