獨立電源系統(tǒng)中的無刷雙饋電機動態(tài)運行特性研究

楊 爽，韋忠朝，高信邁，陳前臣

（1華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2武漢豪邁電器設(shè)備有限公司，湖北武漢 430074）

獨立電源系統(tǒng)中的無刷雙饋電機動態(tài)運行特性研究

楊 爽1，韋忠朝1，高信邁2，陳前臣2

（1華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2武漢豪邁電器設(shè)備有限公司，湖北武漢 430074）

針對獨立電源系統(tǒng)中的無刷雙饋發(fā)電機的特點，考慮到功率繞組和控制繞組的端電壓隨轉(zhuǎn)速和負載的變化而變化，在無刷雙饋電機d－q軸數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了無刷雙饋發(fā)電機在帶載情況下的數(shù)學(xué)模型。并基于該數(shù)學(xué)模型，在matlab／simulink下建立了轉(zhuǎn)速變化和負載變化的仿真模型，完成了其動態(tài)響應(yīng)特性的研究。

無刷雙饋電機；仿真模型；動態(tài)響應(yīng)

無刷雙饋電機在變速恒頻發(fā)電領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景.它不僅取消了滑環(huán)大大增加了系統(tǒng)的可靠性和維護性能［1］；而且不需要變頻器提供全功率變換，只需要提供“轉(zhuǎn)差功率”，大大降低了變頻器的容量。在發(fā)展可再生能源的大趨勢下，無刷雙饋發(fā)電機在風(fēng)力發(fā)電、船用軸帶發(fā)電系統(tǒng)中必將大有可為。

無刷雙饋電機d－q軸數(shù)學(xué)模型適用于定子功率繞組和控制繞組電壓恒定的情況下，但是當(dāng)無刷雙饋發(fā)電機應(yīng)用于獨立電源系統(tǒng)時，其功率繞組端電壓往往隨轉(zhuǎn)速和負載的變化而變化，為維持恒頻恒壓發(fā)電運行，控制繞組的電壓也隨之發(fā)生改變，不能提前給定。因此不得不對該d－q軸數(shù)學(xué)模型進行改進，使之適用于無刷雙饋發(fā)電機作為獨立電源運行的情況。通過選擇負載的中性點電壓作為功率繞組端電壓，并將等效的負載阻抗作為電機參數(shù)的一部分，推導(dǎo)出了無刷雙饋發(fā)電機帶載情況下的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上仿真分析了無刷雙饋發(fā)電機采用頻率和電壓閉環(huán)控制時改變轉(zhuǎn)速和負載的動態(tài)響應(yīng)特性。

1 無刷雙饋發(fā)電機運行的原理

無刷雙饋電機發(fā)電運行時，控制繞組接變頻器提供交流勵磁，轉(zhuǎn)子由原動機（風(fēng)機、水輪機、柴油機等）拖動運行，此時轉(zhuǎn)子中將感應(yīng)出對稱的交流電勢和電流。轉(zhuǎn)子中除產(chǎn)生與控制繞組極對數(shù)相同的磁場外，還將產(chǎn)生與功率繞組極對數(shù)相同的反向旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場在功率繞組中感應(yīng)出交流電勢，如果功率繞組接上負載，就可以對外發(fā)電［2］。圖1是無刷雙饋發(fā)電機應(yīng)用于獨立電源系統(tǒng)時的結(jié)構(gòu)示意圖，其中控制模塊采用的控制方法是電壓和頻率的閉環(huán)控制，f＊1是功率繞組輸出頻率的指令值，U＊1是功率繞組輸出端電壓的指令值，f＊2是變頻器輸出頻率的指令值，U＊2是變頻器輸出電壓的指令值。

圖1 無刷雙饋電機用于獨立電源系統(tǒng)的示意圖

圖2 無刷雙饋電機的簡化等效電路

2 無刷雙饋發(fā)電機功率繞組帶載時的數(shù)學(xué)模型

一般給出的無刷雙饋電機的d－q軸數(shù)學(xué)模型中的功率繞組和控制繞組的端電壓是作為輸入量給定的，適合無刷雙饋電機電動運行時功率繞組和控制繞組端電壓給定的情況［3］。當(dāng)無刷雙饋電機應(yīng)用于獨立電源系統(tǒng)時，功率繞組和控制繞組端電壓會隨著轉(zhuǎn)速和負載的變化而變化［4］，因此無法直接利用該數(shù)學(xué)模型求解狀態(tài)方程中的各狀態(tài)變量，需要結(jié)合無刷雙饋發(fā)電機應(yīng)用于獨立電源系統(tǒng)時的一些特點對這一數(shù)學(xué)模型進行修改。

無刷雙饋發(fā)電機功率繞組帶負載運行時（圖

經(jīng)坐標(biāo)變換后，可以得到修正后的無刷雙饋發(fā)電機d－q軸數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)方程：3）Rl和Ll分別表示負載的等效電阻和電感。以A相為例，功率繞組的輸出端電壓uas1隨轉(zhuǎn)速和負載的變化而變化，因此在動態(tài)分析中uas1并不能作為已知量提前給定，但是如果取負載的中性點為，因為只要三相是對稱的，就有＝0。如果取、、作為功率繞組的輸入端電壓，就有＝＝＝0，相應(yīng)＝＝0，使得狀態(tài)方程中的功率繞組的輸入量為已知常數(shù)。

圖3 無刷雙饋發(fā)電機功率繞組帶載運行時的示意圖

在靜止坐標(biāo)系中無刷雙饋發(fā)電機電壓方程可寫為：

將等效的負載阻抗作為電機固有參數(shù)的一部分，負載電阻可以視為功率繞組電阻的一部分，負載的等效電感因為沒有和轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生磁路上的耦合，因此可以視為功率繞組漏感的一部分。控制繞組和轉(zhuǎn)子繞組的互感矩陣保持不變。修正后uabcs1、Rabcs1、Lss1改為

以上公式中，下標(biāo)“1”表示功率繞組，下標(biāo)“2”表示控制繞組。

3 仿真結(jié)果和實驗驗證

利用上面推導(dǎo)的無刷雙饋發(fā)電機帶載時的數(shù)學(xué)模型，在matlab／simulink下搭建了其仿真模型。電機采用6／2極繞線式轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機，功率繞組輸出的負載為10kW，給定功率繞組發(fā)電電壓220V，頻率50Hz.仿真參數(shù)如表1所示。

表1 matlab／simulink下的仿真參數(shù)

從兩組功率繞組發(fā)電電壓波形來看，采用發(fā)電電壓幅值和頻率閉環(huán)標(biāo)量控制方法［5］，發(fā)電電壓超調(diào)量不大，且轉(zhuǎn)速突變和負載突變調(diào)節(jié)穩(wěn)定后輸出轉(zhuǎn)矩變大，動態(tài)性能指標(biāo)能夠達到要求，是一種較為經(jīng)濟和易于工程實踐的方法。

圖4～6分別為轉(zhuǎn)速在t＝2s時從600r／min突變?yōu)?00r／min的功率繞組發(fā)電電壓幅值、控制繞組電流波形、轉(zhuǎn)矩波形。因為轉(zhuǎn)速更接近同步轉(zhuǎn)速750r／min，造成轉(zhuǎn)子繞組的電流瞬時下降，進而造成功率繞組發(fā)電電壓瞬時下降。由式（1）可知，轉(zhuǎn)速上升，為保持功率繞組電壓為50Hz，控制繞組勵磁電流的頻率也相應(yīng)增大，不同轉(zhuǎn)速時控制繞組所需的勵磁電流大小近似相等。圖6控制繞組的電流仿真波形驗證了這一理論。圖7～9為相同條件下采用負載突變（轉(zhuǎn)速700r／min，負載功率因數(shù)0.3突變?yōu)?.9）時功率繞組發(fā)電電壓幅值、控制繞組電流波形、轉(zhuǎn)矩波形。在相同的輸出功率條件下，功率因數(shù)較低時，控制繞組側(cè)所需的勵磁電流較大，這是因為負載電流的去磁效應(yīng)隨著負載功率因數(shù)的降低而增強，為維持功率繞組側(cè)的電壓大小必須提供更大的勵磁電流，所以可以通過提高功率繞組側(cè)的功率因數(shù)來提高電機的效率。圖10為轉(zhuǎn)速變化的實驗控制繞組電流波形，與圖5仿真波形變化一致.圖11為負載變化（電阻負載突加電機負載）的實驗繞組電流波形，其中綠色為控制繞組電流波形，變化與仿真一致.

圖4 轉(zhuǎn)速突變時功率繞組發(fā)電電壓幅值

圖5 轉(zhuǎn)速突變時控制繞組電流波形

圖6 轉(zhuǎn)速突變時的轉(zhuǎn)矩波形

圖7 負載突變時的功率繞組側(cè)發(fā)電電壓幅值

圖8 負載突變控制繞組電流波形

圖9 負載突變轉(zhuǎn)矩波形

圖10 轉(zhuǎn)速變化控制繞組電流實驗波形

圖11 負載變化繞組電流實驗波形

［1］ 王雪帆.一種交流無刷雙饋電機［J］.CN02115588.7.中國專利，2002.

［2］ 鄧先明.姜建國.無刷雙饋電機的工作原理及電磁設(shè)計［J］.中國電機工程學(xué)報，2003，23（11）：126－132.

［3］ 張經(jīng)緯.繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機及其在獨立電源系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.武漢：華中科技大學(xué)圖書館，2010.

［4］ 黃守道.無刷雙饋電機的控制方法研究［D］.長沙：湖南大學(xué)圖書館，2005.

［5］ 黃守道，王 毅，王耀南，等.無刷雙饋電機風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)與仿真研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，31（01）：36－40.

［責(zé)任編校：張巖芳］

The Dynamic Operating Characteristics of Brushless Doubly－fed Machines in Independent Power Supply System

YANG Shuang1，WEI ZHONG－Chao1，GAO Xin－mai2，CHEN Qian－chen2
（1 School of Electrical and Electronic Engin.，HuaZhong Univ.of Sci.＆Tech.，Wuhan 430074，China；2 Wuhan haomai electrical equipment co.，LTD.，Wuhan 430074，China）

In consideration that the terminal voltage of the power winding and control winding changes with the change of speed and load，the paper builds the mathematical model of Brushless Doubly－Fed Machine（BDFM）with load based on the d－q model of BDFM in allusion to the character of BDFM in independent power system.Based on the mathematical model，a simulation model is also built in MATLAB／Simulink to research the dynamic response of BDFM to the sudden change of speed and load.

Brushless Doubly－Fed Machine（BDFM）；Simulation model；Dynamic response

TM301

A

1003－4684（2014）01－0033－04

2013－11－28

楊 爽（1987－），女，河南商丘人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動，新型特種電機及其驅(qū)動控制