基于定子雙繞組異步發電機的交直流混合發電系統

史經奎 卜飛飛 黃文新 胡育文 李 朋

（南京航空航天大學航空電源航空科技重點實驗室 南京 210016）

?

基于定子雙繞組異步發電機的交直流混合發電系統

史經奎 卜飛飛 黃文新 胡育文 李 朋

（南京航空航天大學航空電源航空科技重點實驗室 南京 210016）

摘要提出了一種基于定子雙繞組異步發電機（DSWIG）的交直流混合發電系統。該發電系統能同時輸出穩定的變速、變頻交流電和高壓直流電。系統采取標量型瞬時轉差頻率控制策略。實驗采用一臺18kW的雙繞組發電機驗證了該發電方案的可行性。實驗結果顯示，該交直流混合發電系統能夠在1∶3的寬轉速范圍內穩定恒功率運行，且具有優秀的動、靜態品質。例如，交流輸出電壓在突加、突卸100%額定負載時，恢復時間小于10ms，大大低于美軍標70ms的規定。初步研究成果表明，基于定子雙繞組異步發電機的交直流混合發電系統能夠為機載、車載等獨立電源場合提供有競爭力的解決方案。

關鍵詞：交直流混合發電系統 定子雙繞組異步發電機 瞬時轉差頻率控制 電力集成

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2008AA05Z411），國家自然科學基金（51277095）和航空科學基金（2012ZC52048）資助項目。

0 引言

航空電源經歷了低壓直流電源、恒速恒頻交流電源和變速恒頻交流電源發展階段[1-5]。隨著多電及全電飛機的發展，為了適應航空系統對電源品質和容量不斷提高的要求，270V高壓直流（High Voltage Direct Current,HVDC）發電系統和變速變頻（Variable Speed Variable Frequency,VSVF）交流發電系統得到越來越多的重視[6-11]。HVDC發電系統重量輕、效率高、費用低且易于并聯，形成多余度供電[5-7]。美國的F-14A戰斗機、S-3A和P-3C反潛機等局部采用了這種供電技術，F-22飛機采用65kW HVDC電源作為主電源系統。實際上，雖然多電及全電飛機用電容量大大增加，但是其中有50%以上的負載屬于加熱除冰和照明設備，這些設備對電源頻率不是特別敏感，針對這些負載，恒頻電源系統并不是最優選擇[10]。因此許多學者提出了VSVF電源方案[8-10]。作為交流電源，VSVF電源具有與恒頻電源同樣優秀的供電質量，但其效率高達90%以上，功率密度高，重量輕，價格低，系統安全可靠和維護性更好[5,8-10]，作為多電飛機的重要電源形式，已經在波音787、空客A380上得到應用[5]。可見，HVDC和VSVF將是未來航空電源的研究重點。但是飛機僅采用高壓直流電源必將帶來用電體制的改變，影響現有設備的繼承性及機電產品的成本；如果僅采用變頻交流電源，又無法適應某些對頻率敏感設備的要求[5]。所以，各種供電體制都有不足，而將他們有機結合起來形成多種電源形式共存的混合電源系統則是很好的解決方案[5,8,11]。本文提出的發電系統能夠兼顧HVDC和VSVF，將這兩種發電系統進行電力集成，實現直流和交流容量的靈活分配，可以很好地滿足機載、車載等對高壓直流和變頻交流電源或其混合形式的要求。

早在2002年，中國海軍工程大學馬偉明院士就提出了電力集成（Power System Integration Technique,PSIT）技術[12,13]，即將功率系統中的發電、配電和電能變換等模塊中的兩個或多個集成于一體，從而實現電力設備的高功率密度、高可靠性、高性能、高效率和低成本[12,13]。這也是本文的出發點之一。

作為獨立電源系統，籠型轉子異步發電機由于其結構簡單、牢固、可靠，魯棒性強，成本低，能實現啟動/發電雙功能，動態性能優秀和運行轉速范圍寬，帶不平衡負載能力強，且具有過載及短路能力，越來越受到人們重視[14-16]。美國NASA Lewis研究中心的專家和T.A.Lipo教授也推薦采用異步發電機作為航空用起動/發電系統發電機[17-19]。事實上，自從電力電子技術取代了原有的電容勵磁的方案后，異步發電機的動、靜態性能就得到了極大的提升[16-19]。以本文的發電系統為例，系統可以在突加、突卸額定交流負載時達到10ms以內的動態恢復時間，低于美軍標MIL-STD-704F中70ms的要求[20]，同時具有優秀的穩態電壓品質。

為了滿足航空電源發展的需求，本文提出了基于定子雙繞組異步發電機（Dual Stator Winding Induction Generator，DSWIG）的交直流混合發電系統。該系統利用一臺雙繞組異步發電機，同時發出直流電和交流電。如圖1所示，該發電機有兩套繞組，即控制繞組和功率繞組，兩套繞組共享發電機的磁場。系統借助勵磁變換器能量雙向流動的特性，向直流負載提供穩定的電磁功率，稱為直流側；系統通過功率繞組輸出恒壓、變頻交流電，稱為交流側。本文提出了針對該發電系統的瞬時轉差頻率控制策略。該控制策略不需要復雜的坐標變換、磁鏈和轉矩觀測，簡單、可靠、魯棒性強且動、靜態性能優秀。

圖1　DSWIG結構示意圖Fig.1 The structure of DSWIG

1 系統結構及拓撲的對比分析

1.1 可能的結構

實現交直流混合發電的方式有多種。圖2所示是12/3相同步發電機交直流混合發電系統。該發電系統由馬偉明教授提出[12,13]。發電機內部設置交流繞組和整流繞組，交流繞組感應出變頻、交流電能，供給交流負載；整流繞組通過12相整流輸出直流電能。該交直流混合發電系統與交直流分別供電的兩臺發電機組相比，體積、重量和工程造價都減少了40%以上[12,13]。

圖2　基于電力集成思想的同步發電機交直流混合供電系統Fig.2 Schematic circuit of the AC and rectified DC synchronous generator based on PSIT

但是該系統仍然具有同步發電機固有的問題，比如，由于勵磁繞組較大的時間常數，其動態性能不甚理想，突加（卸）規定負載時，交流電壓跌落（上升）11.04（11.8）%，電壓恢復時間為0.56（0.6）s[13]，當應用于航空電源系統時，無法滿足美軍標MILSTD-704F對于航空電源動態性能的要求[20]。

圖3所示的發電系統采用籠型異步發電機，通過勵磁變換器一方面給發電機提供勵磁，另一方面將電能整流輸出到直流母線；通過逆變器輸出交流電能。這種方式能夠輸出恒壓、恒頻交流電能。優點是直流電壓控制和交流電壓控制相對獨立，便于設計控制環路；運行轉速范圍較寬，能夠運行于恒轉矩區和恒功率區。但是這種方式需要全功率變換，功率器件的容量較大，并且逆變器交流電壓輸出最大值受到直流電壓的限制。

圖3　全功率變換器的交直流發電方案Fig.3 AC＆DC hybrid generating system based on full power converter

圖4所示的交直流混合發電系統仍然采用籠型異步發電機，這種拓撲在多種文獻中提到[21-23]。一方面勵磁變換器向發電機提供勵磁，同時向負載輸出直流電能；另一方面，電抗器L和勵磁電容C構成了LC濾波網絡將開關頻率濾除，輸出交流電能。與圖3所示的發電拓撲相比，勵磁變換器僅提供勵磁無功和輸出直流有功，因此其容量有所減小；但是，類似地，這種發電方式的交流電壓的最大值仍受到直流電壓輸出的限制；另外，為保證發電機的端電壓恒定，發電機僅能運行于恒功率區；為使系統有更好的電磁兼容性和較好的交流輸出波形，需要較大的濾波電感，這會增加系統的體積和重量。

圖4　普通籠型異步發電機交直流發電方案Fig.4 AC＆DC hybrid generating system based on typical squirrel cage induction generator

圖5所示的是一種新穎的交直流混合發電方式，它由日本學者T.Ahmed等人提出[24]。它通過整流橋輸出直流電能，發電機端電壓直接輸出交流電能。勵磁變換器一方面向發電機提供勵磁無功，一方面工作于有源電力濾波（Active Power Filter， APF）方式，用來消除非線性負載帶來的諧波和發電機諧波磁場在端電壓上感應出的諧波。這種方式能減小勵磁變換器的容量，改善交流輸出電壓的波形質量，但由于沒有對輸出的交流電壓和直流電壓引入直接的電壓閉環，可能造成系統的突加、卸負載的動態性能變差，并且可能在寬轉速、變負載運行的情況下，產生靜差。另外，系統的APF功能需要感值較大的濾波電感，這不利于系統體積和重量的減小。

圖5　APF模式下的普通籠型異步發電機交直流發電方案Fig.5 AC＆DC hybrid generating system based on squirrel cage induction generator working in the APF mode

1.2 提出的拓撲

本文提出一種新穎的交直流混合輸出的發電系統，如圖6所示。系統采用DSWIG，該發電機定子上有兩套繞組，一套繞組為控制繞組，另一套繞組為功率繞組。發電機所需要的勵磁由功率繞組側勵磁電容和控制繞組側勵磁變換器共同提供。勵磁變換器通過PWM整流方式向負載提供穩定的HVDC電能；系統的功率繞組輸出恒壓VSVF交流電能。兩套繞組的極對數相同，工作頻率相同，共享發電機氣隙磁場。DSWIG從發電機本體結構和運行、控制原理上區別于無刷雙饋發電機（定子兩套繞組工作頻率不相等）。相比無刷雙饋發電機，它具有更容易的發電機方案設計，更高的運行效率和更簡單的控制方法。

圖6　提出的基于DSWIG的交直流混合發電系統Fig.6 Proposed AC＆DC hybrid power supply system based on DSWIG

功率側勵磁電容一方面提供系統所需的勵磁無功，另一方面可以濾除交流電壓的諧波，提高輸出電壓的質量；控制側串聯濾波電感，一方面改善發電機電流波形，提高系統的電磁兼容性，另一方面減小變頻系統dv/dt對發電機絕緣的損壞。這種發電方式有以下幾個特點：①兩套繞組只有磁的耦合，沒有電氣的連接，增加了系統的電磁兼容性；②兩套繞組匝比配置靈活，因此直流電壓和交流電壓等級和容量可以靈活搭配；③交流側有功功率不經過勵磁變換器，因此有利于減小功率器件容量；④系統控制繞組側僅需要較小的濾波電感；⑤交流輸出側利用發電機的漏感作濾波，不需要增加額外的LC濾波器。

交流輸出電壓頻率隨轉速變化，其關系為

式中 np——發電機極對數；

nr——發電機轉速（r/min）；

fslip——轉差頻率；

f——輸出交流電壓的頻率。

2 系統的建模及控制策略

2.1 系統的建模

DSWIG的靜止坐標系下的等效電路如圖7所示。忽略激磁回路的鐵損電阻。定子側存在兩條支路，兩套繞組的互漏感為Llpc。

圖7　DSWIG定子靜止坐標下的等效電路Fig.7 The equivalent circuit of the DSWIG stator at stationary coordinate system

系統的電壓方程為

磁鏈方程為

其中

式中 Up,Uc,Ur——功率繞組、控制繞組和轉子繞組的電壓矢量；

Ip,Ic,Ir——功率繞組、控制繞組和轉子繞組電流矢量；

ψp,ψc,ψr——功率繞組、控制繞組和轉子繞組的磁鏈；

Rp,Rc,Rr——功率繞組、控制繞組和轉子繞組電阻；

p ——微分算子。

2.2 瞬時轉差頻率控制策略原理

2.2.1 直流側電壓控制

發電系統的首要任務是要保證輸出電壓穩定。在不計發電系統損耗的情況下，對于直流側，輸出電壓變化的根本原因是系統發出的電磁功率和負載實際需求的電功率不平衡。若發出的電磁功率小于負載所需的電功率，則直流側輸出電壓下降；反之則上升。

DSWIG由轉子側輸入機械功率轉化的電磁功率為

式中 Te——電磁轉矩；

ωr——發電機轉子角速度。

由式（5）可知轉速ωr的變化和Te都可以造成電磁功率Pe的變化。但是，一般認為系統的電氣時間常數遠小于機械時間常數，即認為電磁轉矩Te的突變造成的發電機暫態過程是系統的主要矛盾，而轉速變化過程有較大的慣性環節，可以認為在發電機短暫的暫態過程中保持恒定。

若忽略變換器和發電機等損耗，則系統滿足功率平衡方程。即

式中 Pout——系統輸出的電功率，由直流側負載功率Poutdc和交流側負載功率Poutac組成，即

當直流側負載變化時，若要保持直流母線電壓恒定，需要快速的改變發電機的電磁轉矩，以滿足功率平衡的要求。

穩態時，異步發電機的電磁轉矩大小與其轉差頻率息息相關。DSWIG本質上屬于異步發電機范疇，其基本原理與異步發電機類似，因此有[25-28]

式中 Km——比例系數；

ψs——定子磁鏈；

Rr——折合后的轉子電阻。可見，在不大于最大轉差頻率的時候，若定子磁鏈保持恒定，則電磁轉矩與轉差頻率成近似比例關系。因此，可以通過調節轉差頻率來調節電磁轉矩，控制律為

為了加快系統的響應，增加了直流負載功率前饋項kfPout_dc。kp、ki和kf分別為PI控制器參數和前饋系數。

2.2.2 交流側電壓控制

一般地，在發電系統中，輸出電壓保持穩定且系統能夠輸出額定功率是其重要目標。因而發電系統常常要工作于額定轉速以上的恒功率區。此時定子電阻的壓降相對反電動勢而言比較小，在分析時，可以將其忽略。因此，系統簡化的示意圖如圖8所示。圖中，Vsp和Vsc分別為定子磁鏈在功率繞組和控制繞組上感應的電動勢，Vconv為變換器的輸出電壓，Vac為交流側的輸出電壓，k為功率繞組和控制繞組的匝比，Xc為勵磁電容的容抗，ZL為負載阻抗，X1為直流側濾波電感的電抗。

圖8　DSWIG混合發電系統簡化示意圖Fig.8 Simplified structure of DSWIG hybrid power supply system

DSWIG交直流混合發電系統的無功來源于兩個部分。一部分由功率側勵磁電容所提供；另一部分由勵磁變換器所提供。

變換器向系統提供的無功功率Q1為

式中 δ——Vconv電壓矢量超前Vsc電壓矢量的角度。

電容向系統提供的無功功率Qc為

這些無功首先滿足DSWIG的勵磁及濾波電感的需求，其次滿足交流側感性負載無功消耗的的需求。在有功功率平衡的前提下，如果系統提供過多的無功，則交流側電壓將會升高，反之則會降低，以滿足系統無功的平衡。因此，通過調節系統的無功，就可以調節交流側的電壓。

電容所提供的無功不容易調節，而變換器提供的無功則可以連續調節。由式（10）可知，當變換器的電壓Vconv增加時，系統的無功會增加，則交流側電壓Vac會升高；當變換器的電壓Vconv減小時，系統的無功會減小，交流側電壓Vac會降低。因此，可以得到交流側電壓的控制律

與一般交流電力系統類似，為了保持交流側的電壓穩定，一方面需要保持無功功率的平衡，另一方面也要保證有功功率的平衡。為了保障交流側的有功平衡，將交流側的有功功率前饋到轉差調節輸出。即

功率前饋結合式（9）中的PI調節器：前饋作快速調整，PI調節器作微調。這樣可以快速準確地調節系統的有功平衡，滿足負載高動態的要求。

2.3 瞬時轉差頻率控制策略實現

系統的瞬時轉差頻率控制框圖如圖9所示。直流母線電壓的閉環控制是通過調節轉差頻率實現的，即系統的轉差頻率為

圖9　基于瞬時轉差頻率控制的系統控制框圖Fig.9 System control block diagram based on instantaneous slip frequency control

Poutdc和Poutac分別表示直流側和交流側實際負載功率。若不計系統損耗，則有

本發電系統運行于額定轉速以上的恒功率區。交流側電壓應當穩定在額定電壓，此時發電機按照額定的弱磁曲線運行。

3 實驗結果

通過實驗研究本文提出的交直流混合發電系統的性能。控制框圖如圖9所示。采用的DSWIG的額定功率為18kW；額定轉速為2 700r/min；發電機極對數np＝2；交流額定輸出電壓AC 380V，頻率范圍為90～270Hz，交流側功率為15kW；直流額定輸出電壓為DC 400V，直流側功率為3kW。恒功率（18kW）運行轉速范圍為2 700～8 100r/min（1∶3）。功率繞組與控制繞組匝比k＝2，直流側濾波電感為0.5mH。勵磁變換器由Mitsubishi IPM模塊構成，開關頻率為10kHz。處理器采用Freescale MC56F8346 DSP，系統控制周期為100μs。實驗內容主要包括建壓關機實驗、穩態性能實驗和動態性能實驗。

3.1 系統建壓和關機實驗

圖10為系統在額定轉速為2 700r/min時的建壓關機實驗波形。為使系統建壓關機過程電壓、電流無沖擊，母線電壓采用斜坡給定方式，初始狀態母線電壓為蓄電池電壓（24V），控制勵磁變換器使得發電機旋轉磁場頻率逐漸低于轉子旋轉頻率，發電機進入超同步發電狀態，直流母線電壓開始斜坡上升，直到400V最終電壓給定。建壓過程中，交流輸出電壓和控制側繞組電流與直流母線電壓同步上升，在約2s內系統完成建壓。類似地，系統關機過程也采用了斜坡給定方式。由圖10可見，系統可以可靠完成建壓關機任務，且電壓、電流均無沖擊和超調。

圖10　系統建壓關機實驗結果Fig.10 The voltage start-up and close-down experiment results

3.2 穩態特性實驗

圖11和圖12為發電機分別穩定運行于3 000r/min和7 500r/min時實驗波形。這兩種工況分別對應于低速段和高速段。

圖11　3 000r/min 穩態運行實驗波形Fig.11 Experimental waveforms of steady operation at the speed of 3 000r/min

圖12　7 496r/min穩態運行實驗波形Fig.12 Experimental waveforms of steady operation at the speed of 7 496r/min

圖11a為轉速3 000r/min時空載實驗波形，直流輸出電壓為398V，誤差在0.5%以內，三相交流輸出線電壓有效值約為383V，誤差在0.8%以內。FFT分析結果表明交流輸出電壓的THD約1.2%。圖11b為額定負載（交流側15kW，直流側3kW）時的實驗結果，直流輸出電壓為399V，直流輸出電流約為7.5A，交流輸出三相線電壓幅值和空載一致，輸出線電流幅值約為33A（有效值約為23A），交流輸出電壓的THD約為1.2%。圖12a和圖12b分別為轉速7 496r/min時空載和額定負載運行實驗波形，實驗結果表明在高轉速區系統同樣具有良好的穩態性能。

3.3 動態特性實驗

動態特性實驗分為三部分，分別是交流側突加突卸100%額定負載實驗、直流側突加、突卸100%額定負載和變速運行實驗。

針對前兩部分實驗，本文給出轉速在5 000r/min（中速段）時交流側和直流側突加、突卸額定負載時的實驗波形（事實上，系統在整個轉速區間內都具有類似的動態性能）。圖13a為直流側空載，交流側突加額定負載（15kW）實驗波形。突加負載瞬間，線電流迅速增加到33A（幅值）；線電壓波形未出現較大沖擊和畸變，且能夠在10ms內恢復至穩態水平。圖13b為直流側空載，交流側由額定負載運行狀態突卸至空載的實驗波形，突卸負載瞬間線電壓未出現過大沖擊，且能夠在10ms內恢復至穩態水平。圖14a為交流側空載時，直流側突加額定負載（3kW）實驗波形，突加負載后，直流電壓最大跌落約4.5%，且能夠在20ms左右恢復；圖14b為交流側空載時，直流側由額定負載狀態突卸至空載實驗波形，直流電壓最大上升約4.3%，且能夠在20ms左右恢復。直流側突加、突卸額定負載對交流側電壓波形影響并不十分明顯。

圖13　5 000r/min時交流側突加、突卸100%額定負載實驗結果Fig.13 Step change of 100% load of the AC output experimental results at the speed of 5 000r/min

圖14　5 005r/min時直流側突加突卸100%額定負載實驗結果Fig.14 Step change of 100% load of the DC output experimental results at the speed of 5 005r/min

圖15為系統在4 500r/min滿載穩定運行時，用變頻器拖動原動機在1s內由4 500r/min斜坡升到5 500r/min實驗波形。可見，發電機轉速急劇變化時，交流側輸出電壓和直流母線電壓均能保持穩定。

圖15　1s內轉速由4 500r/min升到5 500r/min時系統運行實驗結果Fig.15 Experimental results of the system with the rotate speed form 4 500r/min to 5 500r/min in one second

3.4 系統總體性能指標

考察整個轉速區間和負載區間，得到性能指標數據見表1。

表1　系統主要性能指標Tab.1 The main performance index of the system

4 結論

本文提出了基于DSWIG的交直流混合發電系統，設計了該發電系統的控制策略，通過實驗驗證了這種發電拓撲結構的可行性。

實驗證明，該發電系統能夠在1∶3的寬轉速范圍內穩定恒功率運行；且具有優秀的動、靜態性能。突加、突卸100%額定負載時，直流電壓瞬態調整率小于5%，動態恢復時間小于25ms，交流電壓瞬態調整率小于7%，動態恢復時間小于10ms。本文的研究表明，該發電系統可以應用于航空、艦載和車輛等對電源品質要求較高的獨立電源場合。

參考文獻

[1]Emadi E,Ehsani M.Aircraft power system:technology,state of the art and future trends[J].IEEE Aerospace and Electronics System Magazine,2000（1）:28-32.

[2]Rosero J A,Ortega J A,Aldabas E,et al.Moving towards a more electric aircraft[J].IEEE Aerospace Electronic Systems Magazine,2007,22（3）:3-9.

[3]Taha M H,Skinner D,Gami S,et al.Variable frequency to constant frequency converter（VFCFC）for aircraft applications[J].International Conference on Power Electronics,Machines and Drives,2002:235-240.

[4]AbdElhafez A A,Forsyth A J.A review of moreelectric aircraft[C]//13th International Conference on Aerospace Sciences ＆ Aviation Technology,2009,5:26-28.

[5]嚴東超.飛機供電系統[M].北京:國防工業出版社,2010.

[6]Izquierdo D,Azcona R,Lopez del Cerro F J,et al.Electrical power distribution system（HV270DC）for application in more electric aircraft[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC）,2010:1300-1305.

[7]Maldonado M A.Shah N M,Cheek K J,et al.Power management and distribution system for a moreelectric aircraft（MADMEL）-program status[C]//Intersociety Energy Conversion Engineering Conference,1997:274-279.

[8]Olaiya M,Buchan N.High power variable frequency generator for large civil aircraft[J].IEE Colloquium on Electrical Machines and Systems for the More Electric Aircraft,1999:3/1- 3/4.

[9]Rosado S,Ma Xiangfei,Francis G,et al.Model-based digital generator control unit for a variable frequency synchronous generator with brushless exciter[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23（1）:42-52.

[10]Chang Jie,Wang Anhua.New VF power system archi-tecture and evaluation for future aircraft[J].IEEE Transactions on Aerospace And Electronic Systems,2006,42（2）:527-539.

[11]Niggemann R E,Peecher S,Rozman G.270-VDC/hybrid 115V AC electric power generating system technology demonstrator[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,1991,（8）:21-26.

[12]馬偉明.電力集成技術[J].電工技術學報,2005,20（1）:16-20.Ma Weiming.Power system integration technique[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2005,20（1）:16-20.

[13]馬偉明.交直流電力集成技術[J].中國工程科學,2002,4（12）:53-59.Ma Weiming.AC-DC power integration technique[J].Engineering Science,2002,4（12）:53-59.

[14]Kumsuwan Y,Srirattanawichaikul W,Premrudeepreechacharn S.A simple voltage and frequency control of VSI-inverter-fed self-excited induction generator drive[C]//ICROS-SICE International Joint Conference,2009:430-434.

[15]Bansal R C.Three-phase self-excited induction generators:an overview[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20（2）:292-299.

[16]胡育文,黃文新,張蘭紅.異步電機起動/發電系統的研究[J].電工技術學報,2006,21（5）:7-13.Hu Yuwen,Huang Wenxin,Zhang Lanhong.Research on employing starter/generator system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,21（5）:7-13.

[17]Elbuluk M E,Kankan M D.Potential starter/generator technologies for future aerospace applications [J].IEEE AES Systems,1997,21（5）:24-31.

[18]Alan I,Lipo T A.Starter/generator employing resonant converter-fed induction machine part I:analysis[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2000,36（4）:1309-1318.

[19]Alan I,Lipo T A.Starter/generator employing resonant converter fed induction machine part II:Hardware prototype[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2000,36（4）:1319-1329.

[20]Aircraft Electric Power Characteristics[S].Military Standard,MILSTD-704F,2004.

[21]劉陵順,胡育文,黃文新.電力電子變換器控制的異步電機發電技術[J].電工技術學報,2005,20（5）:1-7.Liu Lingshun,Hu Yuwen,Huang Wenxin.Summary of technology of induction generators with power electronic converters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2005,20（5）:1-7.

[22]Leidhoid R,Garcia G,Valla M I.Induction generator controller based on the instan- taneous reactive power theory[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2002,17（3）:368-372.

[23]Ahmed T,Nishida K,Nakaoka M.Advanced control of PWM converter with variable- speed induction generator[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2006,42（4）:934-945.

[24]Ahmed T,Nishida K,Nakaoka M.A novel stand-alone induction generator system for AC and DC power applications[J].IEEE Transactions on Industry ApplicaTions,2007,43（6）:1465-1474.

[25]陳伯時.電力拖動控制系統—運動控制系統[M].北京:機械工業出版社,2003.

[26]Garcia A Munoz,Lipo T A,Novotny D W.A new induction motor V/f control method capable of highperformance regulation at low speeds[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34（4）:813-821.

[27]Miles A R,Novotny D W.Transfer functions of the slip-controlled induction machine[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1979,IA-15（1）:54-62.

[28]劉迪吉.航空電機學[M].北京:航空工業出版社,1992.

史經奎 男，1987年生，碩士，研究方向為電力電子與電力傳動。

E-mail:sjk909@126.cm（通信作者）

黃文新 男，1966年生，教授，博士生導師，研究方向為電機及其控制。

E-mail:huangwx@nuaa.edu.cn

AC＆DC Hybrid Power Supply System Based on Dual Stator-Winding Induction Generator

Shi Jingkui Bu Feifei Huang Wenxin Hu Yuwen Li Peng
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China）

AbstractIn this paper,an AC＆DC hybrid power supply system based on dual stator winding induction generator（DSWIG）is proposed.AC and DC power with variable frequency can be generated at the same time by this system.The instantaneous slip frequency based control is adopted here.Experiment on an 18kW DSWIG has been implemented to validate the proposed power supply system.The result shows that this system could operate with wide speed range of 1:3 in the constant power zone with excellent dynamic and steady state performances.Typical features include that the recovery time is less than 10ms when 100% rated AC load is suddenly applied and removed,which is less than the American Military Standard of 70ms.The preliminary achievements indicate that this AC＆DC hybrid power supply system is a competitive solution for the airborne,automotive and other independent power supply applications.

Keywords：AC＆DC hybrid power supply system,dual stator winding induction generator,instantaneous slip frequency based control,power system integration technique

作者簡介

收稿日期2014-01-05 改稿日期 2014-03-10

中圖分類號：TM361