專利名稱：定子雙繞組異步電機發(fā)電系統(tǒng)設計及控制方法
技術領域：
本發(fā)明所涉及的是一種適用于變速運行的定子雙繞組異步電機發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設計和控制方法。
背景技術：
飛機、坦克、軍艦等高新技術的高度發(fā)展，大量的控制設備和精密電子設備都必須采用現(xiàn)代計算機控制技術，對電源提出了越來越高的要求，不僅要求電源大幅度提高容量，而且要求高性能、高穩(wěn)定性、高可靠性、高性價比等性能品質(zhì)。為此美國等西方發(fā)達國家進入上世紀80年代以后，投入了大量的人力、物力開展了這方面的研究。1997年美國NASA Lewis研究中心的專家指出，隨著電力電子技術的發(fā)展，對于未來的航空電源系統(tǒng)，籠型異步電機最有可能被用作航空用發(fā)電機。美國Wisconsin(威斯康星)大學已研究出10馬力的異步電機發(fā)電系統(tǒng)的地面樣機，正在進一步作航空應用的研究。與此同時，美國為適應坦克等裝甲戰(zhàn)斗車輛高度發(fā)展的需要，也對坦克等電源系統(tǒng)進行了研究和開發(fā)。這種獨立電源系統(tǒng)常有二種方式，一種是起動發(fā)電系統(tǒng)，它要求該系統(tǒng)同時具有起動和發(fā)電雙功能，另一種是只要求有發(fā)電功能，這二種系統(tǒng)要求不一樣，設計也很不一樣。進入二十一世紀后，獨立電源系統(tǒng)基本上統(tǒng)一了認識，認為在獨立電源系統(tǒng)中，270V的高壓直流饋電是最受人歡迎的。美國第四代戰(zhàn)斗機F22和正在研制的最新戰(zhàn)斗機F35都是采用270V的直流饋電。
在民用方面，風力發(fā)電正在成為各國努力發(fā)展的熱門技術，因為它在克服能源缺乏和防止環(huán)境污染方面，有著非常重要的意義。風力發(fā)電中大量使用異步電機，當前最通用的發(fā)電技術是異步電機三相交流雙饋發(fā)電技術，它的特點是利用變速恒頻技術，直接發(fā)出電壓穩(wěn)定的三相50Hz交流電。近年來，在國外又興起了海上風力發(fā)電，1998年ABB公司開發(fā)了單機容量為3～5MW，電壓為1.2KV的高壓同步發(fā)電機，計劃安裝于瑞典的一個近海風場，以期對海上風電場做出評價。這種海上風電場，由于鋪設電纜特別困難，也要求直流饋電，因此，發(fā)展異步電機直流饋電的發(fā)電系統(tǒng)就從軍用、民用等不同的角度提到重要的議事日程上來了。
定子雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)近年有所研究，我國海軍工程大學在船舶電源系統(tǒng)中就是采用這種定子雙繞組異步發(fā)電機系統(tǒng)，但是它的特點是發(fā)電機轉(zhuǎn)速基本為恒速，它的設計方法和控制方法都不能適用于轉(zhuǎn)速大范圍變化的場合。轉(zhuǎn)速在大范圍內(nèi)變化的定子雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)至今無人研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能適用于轉(zhuǎn)速大范圍變化場合的即適合獨立電源系統(tǒng)應用，又適合海上風力發(fā)電應用的定子雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)的設計方法及控制方法。
本發(fā)明定子雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)的設計方法是，在轉(zhuǎn)速和負載的變化范圍內(nèi)，以勵磁變換器容量最小為優(yōu)化設計目標的電機參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的綜合優(yōu)化設計方法，即把電機參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)(主要是交流電容C2)一道，在轉(zhuǎn)速和負載變化范圍內(nèi)，用具有全面搜索功能的遺傳算法進行優(yōu)化迭代，選擇異步電機輸出端的交流電容值和電機參數(shù)，使感性勵磁電流Ix的最大絕對值與容性勵磁電流Ix的最大絕對值相等，來求得轉(zhuǎn)速和負載變化范圍內(nèi)的電機參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)勵磁變換器容量最小的目的。這種設計方法有別于常規(guī)的電機與系統(tǒng)分別獨立設計的方法。
本發(fā)明定子雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)的控制方法是，根據(jù)系統(tǒng)瞬時轉(zhuǎn)速和負載大小計算控制器應該提供的無功電流大小，由勵磁變換器向電機提供的容性無功電流或感性無功電流，實現(xiàn)輸出電壓的恒定。
該控制方法的具體步驟是(1)將勵磁變換器直流側(cè)電容上的給定電壓與該電容上的實際電壓進行比較后，送入PI調(diào)節(jié)器，輸出有功電流指令信號；(2)將輸出直流電壓的給定信號與輸出直流電壓的實際信號進行比較后送入另一個PI調(diào)節(jié)器，輸出無功直流指令信號；(3)對上述輸出的有功電流指令信號和輸出無功直流指令信號，進行2/3變換，得到勵磁繞組三相給定電流；(4)利用勵磁變換器和電流閉環(huán)，實現(xiàn)實際的勵磁繞組三相電流跟蹤勵磁繞組三相給定電流，最終實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。
本發(fā)明的勵磁變換器容量僅為總輸出容量的1/3左右，減小了體積，降低了成本，能輸出恒定的可與直流電網(wǎng)并網(wǎng)的直流電，既適合獨立電源系統(tǒng)應用，又適合海上風力發(fā)電應用。
四

圖1是定子雙繞組異步電機發(fā)電系統(tǒng)原理圖。
圖1中標號名稱1.定子雙繞組異步電機，2.勵磁變換器。3.勵磁變換器直流側(cè)電容C1，4.控制器，5.定子雙繞組異步電機輸出端交流電容C2，6.整流器，7.濾波電容C3，8.電流傳感器，9與10，電壓傳感器，11.逆變器，12.逆變器控制器。
圖2是外加電流源和交流電容的雙繞組異步發(fā)電機等效電路示意3是雙繞組異步發(fā)電機控制繞組電流變化規(guī)律曲線示意圖。
圖3中曲線1與2代表額定負載運行的電流的變化規(guī)律，曲線3代表空載運行的電流的變化規(guī)律。
圖4是勵磁系統(tǒng)控制算法原理圖五具體實施方式
本發(fā)明提出的定子雙繞組異步電機發(fā)電系統(tǒng)如附圖1所示，電機1的轉(zhuǎn)子也是普通籠型轉(zhuǎn)子，但定子具有兩套繞組，一套為主繞組，向外傳遞電功率，輸出端接有交流電容5、整流器6和濾波電容7輸出恒壓直流，它可直接向用電設備饋電，也可和電壓適合的直流電網(wǎng)并網(wǎng)。如果要對外供給交流電，則要加逆變器11和控制器12，它可以和50Hz的三相交流大電網(wǎng)并網(wǎng)。另一套為勵磁繞組，接有勵磁變換器2，電容3和控制器，由勵磁變換器提供所需的無功電流，采用一定的控制策略，可以有效地調(diào)節(jié)主繞組輸出電壓保持恒定。二套定子繞組的級數(shù)相同。由于兩套定子繞組在電氣上沒有直接連接，只是通過磁耦合，無需并聯(lián)式異步電機發(fā)電系統(tǒng)所需要的隔離電感，減小了系統(tǒng)的體積重量；另外勵磁回路和功率回路沒有電路連接，便于實現(xiàn)高性能的控制。
該系統(tǒng)的一大優(yōu)勢在于異步發(fā)電機在轉(zhuǎn)速和負載在較大范圍變化時，供給無功功率的勵磁變換器容量比發(fā)電機額定容量要小得多，從而大大降低了系統(tǒng)的成本。但是勵磁變換器的容量和電機參數(shù)、負載、原動機轉(zhuǎn)速及其變比、勵磁電容等有很大關系，如何在一定的運行速度范圍內(nèi)使勵磁變換器的容量最小，是該系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵。
本發(fā)明提出了電機和系統(tǒng)參數(shù)的設計方法，以確保勵磁變換器的容量最小。該方法的重要特征是把電機參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)(主要是交流電容C2)一道，在轉(zhuǎn)速和負載范圍內(nèi)，用具有全面搜索功能的遺傳算法進行優(yōu)化迭代。得到適合全變化范圍內(nèi)的電機與系統(tǒng)參數(shù)。
其具體方法步驟是(1)給定轉(zhuǎn)速和負載變化范圍；(2)根據(jù)外加電流源和交流電容的雙繞組異步發(fā)電機等效電路，列出系統(tǒng)的仿真程序，此仿真程序包含系統(tǒng)參數(shù)交流電容(C2)和電機參數(shù)；(3)根據(jù)優(yōu)化的準則在整個變化范圍內(nèi)，使感性|Ix|max＝容性|Ix|max，用遺傳算法優(yōu)化迭代，得到適合變化范圍內(nèi)的交流電容(C2)和電機參數(shù)。
在完成硬件設計后，要達到勵磁變換器容量最小的目的，還必須實現(xiàn)相應的控制策略，本發(fā)明提出的控制策略要點是根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)實時運行時的轉(zhuǎn)速，負載大小，計算出控制器應該提供的無功電流大小，它可以在系統(tǒng)所能提供的最大感性電流和最大容性電流之間連續(xù)變化，以確保輸出電壓不變。
根據(jù)附圖1所示的系統(tǒng)原理圖，首先進行電機參數(shù)與交流電容C2的優(yōu)化設計。包括交流電容C2的定子雙繞組異步發(fā)電機等效電路圖如附圖2所示，圖中Ix是期待的勵磁電流。該電流Ix為正時，表示勵磁電流支路向電機補償容性電流；該電流Ix為負時，則表示向電機補償勵磁電流。交流電容C2的取值，應使整個運行區(qū)間內(nèi)勵磁電流|Ix|max達到最小。
本發(fā)明指出，勵磁電流Ix的大小隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律和負載大小有關，還和電機參數(shù)有關。當負載為空載時，變換規(guī)律比較簡單，它的變化趨勢如附圖3中曲線3，其特點是不管電機參數(shù)如何，勵磁電流Ix都是隨轉(zhuǎn)速的增大，向負方向(即容性電流方向)作單調(diào)的變化。因此，它的容性電流最大值|Ix|max在E點處，即在最高轉(zhuǎn)速處。但是，當帶負載后，情況變得很復雜。首先，它不是如曲線3那樣呈單調(diào)變化，而是呈凹形變化，(見附圖3的曲線1和曲線2)，因此它的最大值|Ix|max在曲線的兩端點。其次，凹線曲線有二種形態(tài)一種是左高右低，(如曲線1)，一種是左低右高，(如曲線2)。到底哪一種形態(tài)，決定于電機的漏抗。而電機的漏抗在優(yōu)化設計的迭代過程中是變化的，因此這種曲線就有可能在曲線1和曲線2二種形態(tài)中變化，這是這種變速系統(tǒng)一個最特征的現(xiàn)象。再者，在額定負載時，勵磁電流Ix必定是感性電流。因此，感性電流的最大值|Ix|max就有可能在曲線1的A點，也可能在曲線2的D點。A點對應額定轉(zhuǎn)速，D點對應最大轉(zhuǎn)速。
為了使勵磁變換器的容量最小，優(yōu)化的準則是在整個變化范圍內(nèi)，選擇合適的交流C2和電機參數(shù)，使感性|Ix|max＝容性|Ix|max。
從以上的分析可以看出，系統(tǒng)的變化規(guī)律很復雜，必須選用具有全面優(yōu)化能力的方法才能達到目的，本發(fā)明推薦采用遺傳算法完成此任務。
勵磁電流的控制規(guī)律在已優(yōu)化的系統(tǒng)中，必須配以相適應的控制規(guī)律，才能保證系統(tǒng)的正常運行?？刂频膸讞l基本原則是(1)必須根據(jù)實時的轉(zhuǎn)速和負載情況，勵磁變換器向電機提供合適的無功電流。
(2)由于勵磁繞組支路也會消耗一部分有功，因此，為了維持勵磁變換器直流側(cè)電容C1上的電壓，還應該從發(fā)電機獲取部分的有功能量，以抵消該支路的消耗。
控制算法原理如附圖4所示。圖4中Uc*為電容C1給定的電壓，Uc為實際C1上的電壓，比較后送入PI調(diào)節(jié)器，輸出有功電流指令信號id*。另外，Udc*為輸出的直流電壓的給定信號，Udc為實際的輸出直流電壓，它們比較后送入PI調(diào)節(jié)器，輸出無功直流指令信號iq*。對id*，iq*進行2/3變換，得到勵磁繞組三相給定電流isa*，isb*，isc*，利用勵磁變換器和電流閉環(huán)，實現(xiàn)實際的勵磁繞組三相電流isa，isb，isc跟蹤三相給定電流isa*，isb*，isc*，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。
權利要求
1.一種定子雙繞組異步電機發(fā)電系統(tǒng)設計方法，其特征在于，把電機參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)一道，在轉(zhuǎn)速和負載變化范圍內(nèi)，用具有全面搜索功能的遺傳算法進行優(yōu)化迭代，選擇異步電機輸出端的交流電容(C2)值和電機參數(shù)，使感性勵磁電流(IX)的最大絕對值與容性勵磁電流(IX)的最大絕對值相等，來求得轉(zhuǎn)速和負載變化范圍內(nèi)的電機參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)勵磁變換器容量最小，其具體方法步驟是(1)給定轉(zhuǎn)速和負載變化范圍；(2)根據(jù)外加電流源和交流電容的雙繞組異步發(fā)電機等效電路，列出系統(tǒng)的仿真程序，此仿真程序包含系統(tǒng)參數(shù)交流電容(C2)和電機參數(shù)；(3)根據(jù)優(yōu)化的準則在整個變化范圍內(nèi)，使感性|Ix|max＝容性|Ix|max，用遺傳算法優(yōu)化迭代，得到適合變化范圍內(nèi)的交流電容(C2)和電機參數(shù)。
2.一種定子雙繞組異步電機發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，根據(jù)該電機發(fā)電系統(tǒng)瞬時轉(zhuǎn)速和負載大小，計算控制器應該提供的無功電流大小，由勵磁變換器向該電機提供容性無功電流或感性無功電流，實現(xiàn)輸出電壓的恒定，其具體方法步驟是(1)將勵磁變換器直流側(cè)電容上的給定電壓與該電容上的實際電壓進行比較后，送入PI調(diào)節(jié)器，輸出有功電流指令信號；(2)將輸出直流電壓的給定信號與輸出直流電壓的實際信號進行比較后送入另一個PI調(diào)節(jié)器，輸出無功直流指令信號；(3)對上述輸出的有功電流指令信號和輸出無功直流指令信號，進行2/3變換，得到勵磁繞組三相給定電流；(4)利用勵磁變換器和電流閉環(huán)，實現(xiàn)實際的勵磁繞組三相電流跟蹤勵磁繞組三相給定電流，最終實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。
全文摘要
一種定子雙繞組異步電機發(fā)電系統(tǒng)設計及控制方法，屬異步發(fā)電機系統(tǒng)。其設計方法是，在轉(zhuǎn)速和負載變化范圍內(nèi)，采用遺傳算法進行優(yōu)化迭代，選擇異步電機(1)輸出端的交流電容(C2)值和電機參數(shù)，使感性勵磁電流和容性勵磁電流的最大絕對值相等，求得轉(zhuǎn)速和負載變化范圍內(nèi)的電機參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)勵磁變換器(2)容量最?。黄淇刂品椒ㄊ?，根據(jù)瞬時轉(zhuǎn)速和負載大小，計算控制器(4)應提供的無功電流大小，由勵磁變換器(2)向該電機提供容性無功電流或感性無功電流，實現(xiàn)輸出電壓的恒定。該發(fā)電系統(tǒng)的勵磁變換器容量僅為總輸出容量的1/3左右，減小了體積，降低了成本，能輸出恒定的可與直流電網(wǎng)并網(wǎng)的直流電，即適合獨立電源系統(tǒng)應用，又適合海上風力發(fā)電應用。
文檔編號H02P9/14GK1728511SQ200510041200
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月27日 優(yōu)先權日2005年7月27日
發(fā)明者胡育文, 黃文新, 劉陵順 申請人:南京航空航天大學