【摘要】：能源危機(jī)是一個(gè)全球性的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和提高能源利用率能夠有效地緩解能源危機(jī)。作為可再生能源的風(fēng)力發(fā)電特別是海上風(fēng)力發(fā)電要求發(fā)電系統(tǒng)具有性能高,可靠性高,容量大等特點(diǎn)。在航空領(lǐng)域,多電飛機(jī)/全電飛機(jī)采用電力作動(dòng)系統(tǒng)取代機(jī)械和液壓系統(tǒng)來(lái)提高效率和可靠性,這要求航空電源發(fā)電系統(tǒng)具有大容量、高可靠性和高性能等特點(diǎn)。針對(duì)上述兩種場(chǎng)合的需求,異步電機(jī)以其成本低、堅(jiān)固簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為一個(gè)可選擇的方案。為了更好地發(fā)揮異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),針對(duì)上述兩種應(yīng)用提出了一種雙繞組五相異步發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)有:(1)五相雙繞組異步發(fā)電機(jī)(Dual stator-winding induction generator,DWIG)的轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)單堅(jiān)固,可靠性高;(2)定子上有兩套繞組,一套為功率繞組,一套為控制繞組,功率繞組整流輸出高壓直流電;控制繞組接五相靜止勵(lì)磁變換器,用以控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁;兩套繞組功能獨(dú)立,沒(méi)有電氣連接;(3)采用五相繞組,可以用非正弦勵(lì)磁來(lái)提高電機(jī)的功率密度和提高容錯(cuò)運(yùn)行能力。本文首先研究了該發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)問(wèn)題,包括磁勢(shì)分析和數(shù)學(xué)模型。其次,針對(duì)上述兩種場(chǎng)合的高功率密度、高性能和高可靠性的需求,從諧波注入方法、瞬時(shí)功率控制及容錯(cuò)控制方法展開(kāi)。具體的研究?jī)?nèi)容和主要成果包括以下幾個(gè)方面。(1)為了滿足不同控制策略的需要,分析五相DWIG在多種頻率勵(lì)磁下所產(chǎn)生的氣隙磁動(dòng)勢(shì),建立了五相DWIG在自然坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)磁勢(shì)不變的原則,建立了五相DWIG在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)旋轉(zhuǎn)變換矩陣,實(shí)現(xiàn)基波空間與三次諧波空間的解耦,得到了五相DWIG在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的解耦模型。(2)采用合適的控制策略是發(fā)電系統(tǒng)高性能運(yùn)行的保證�；谒矔r(shí)功率理論,分析五相DWIG的直流發(fā)電原理,提出了一種基于空間電壓矢量調(diào)制的五相DWIG控制繞組磁場(chǎng)定向控制。為了提高五相DWIG的功率輸出,本文采用注入三次諧波勵(lì)磁,提高磁場(chǎng)基波幅值的方式,提出了基于諧波電壓注入的控制繞組磁場(chǎng)定向控制策略。由于諧波電壓注入的方法沒(méi)有諧波電流閉環(huán),這使得給定的諧波電流與需要的諧波電流存在偏差。進(jìn)一步提出了一種基于諧波電流注入的控制繞組磁場(chǎng)定向控制策略。研究表明,兩種注入方法均具有改善電機(jī)氣隙磁密,提高功率輸出(本系統(tǒng)約為11%)。采用諧波電壓注入具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),不影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,方便擴(kuò)展到電壓型控制方案的應(yīng)用場(chǎng)合。而諧波電流注入具有諧波電流可控,電流穩(wěn)態(tài)性能好,但延緩了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。(3)為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,基于瞬時(shí)功率理論,分析五相電壓矢量對(duì)無(wú)功功率和有功功率的作用,并給出瞬時(shí)功率控制最優(yōu)電壓矢量表。針對(duì)變速應(yīng)用的場(chǎng)合,提出一種基于空間電壓矢量調(diào)制的五相DWIG控制繞組瞬時(shí)功率控制。對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì),并引入速度信息到功率環(huán)中,消除速度變化帶來(lái)的影響。為了兼顧多相的特點(diǎn),改善五相DWIG的氣隙磁密和提高其功率輸出,提出了改進(jìn)的諧波電壓注入的控制繞組瞬時(shí)功率控制。研究表明:帶諧波電壓注入的控制繞組瞬時(shí)功率控制屬于電壓型的方案,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),并提高動(dòng)態(tài)性能。(4)針對(duì)五相控制繞組變換器相對(duì)易發(fā)生故障的可靠性問(wèn)題,探索了該發(fā)電系統(tǒng)控制繞組缺相故障的控制規(guī)律,提出了基于全階變換矩陣的容錯(cuò)控制策略。針對(duì)其存在著不同平面耦合的問(wèn)題,提出了基于虛擬變量控制的容錯(cuò)控制策略�；诮惦A變換矩陣和虛擬變量定義,推導(dǎo)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式。研究表明:兩種容錯(cuò)控制方法都能實(shí)現(xiàn)缺相故障的容錯(cuò)控制,降低功率繞組側(cè)輸出電壓的脈動(dòng),減小控制繞組電流,降低故障后的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。基于全階變換矩陣的方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,兼容性好,只須修改諧波平面的電流給定即可實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)路故障的容錯(cuò)的特點(diǎn);基于虛擬變量的控制方法能實(shí)現(xiàn)不同平面的解耦控制,使轉(zhuǎn)矩與磁鏈成線性關(guān)系,穩(wěn)態(tài)性能好。本文的研究推動(dòng)雙繞組異步發(fā)電機(jī)從三相向多相進(jìn)一步發(fā)展,為雙繞組異步電機(jī)在航空電源和風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用提供了一個(gè)可選的方案,并為后續(xù)的研究工作打下了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM343
【圖文】：

不過(guò)這兩個(gè)系統(tǒng)都是變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)，不是高壓直流發(fā)電系統(tǒng)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有電刷和滑環(huán)，不適用于高速運(yùn)行的航空電源系統(tǒng)，后來(lái)在了應(yīng)用。若要將 Lipo T.A.教授等研究的三相籠型異步電機(jī)變速恒頻交流發(fā)電系壓直流發(fā)電場(chǎng)合，只需去掉后級(jí)逆變及高頻交流鏈等環(huán)節(jié)并作相應(yīng)改進(jìn)即可。直流電源系統(tǒng)，2002 年阿根廷的學(xué)者們還專(zhuān)門(mén)對(duì) 270V 三相籠型異步發(fā)電系統(tǒng)出了一種損耗最小的控制策略，有效提高了發(fā)電系統(tǒng)的效率[12]。步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)機(jī)載和車(chē)載獨(dú)立電源系統(tǒng)的應(yīng)用，本課題組從 1998 年開(kāi)始就對(duì)基于三相籠型異流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，并研制出 18kW 樣機(jī)[13]。同時(shí)，提出了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和了三相四橋臂故障運(yùn)行。圖 1. 1 給出了基于三相籠型異步電機(jī)的高壓直流發(fā)電。該樣機(jī)的特點(diǎn)為：（a）定子繞組采用星三角形變換連接，以保證起動(dòng)時(shí)能獲矩；（b）起動(dòng)時(shí)采用直接轉(zhuǎn)矩控制，發(fā)電時(shí)采用瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)和成；（c）樣機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 4000r/min，最高轉(zhuǎn)速為 10000r/min；（d）樣機(jī)動(dòng)靜態(tài)性卸 70%額定負(fù)載時(shí)，電壓恢復(fù)時(shí)間約為 10ms。

電機(jī)定子繞組由星形連接改為三角形連接，以降低電機(jī)額定電壓，這導(dǎo)致電機(jī)繞接易引起環(huán)流；（2）該系統(tǒng)中變換器需要控制電機(jī)中有功功率和無(wú)功功率，變換變換器直接輸出至負(fù)載，變換器的高頻開(kāi)關(guān)會(huì)直接影響負(fù)載供電質(zhì)量。所周知，多相電機(jī)具有適合大功率應(yīng)用、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)存在著無(wú)法直接使用低功率等級(jí)器件實(shí)現(xiàn)低壓大功率應(yīng)用和容錯(cuò)能力不高外，多相電機(jī)具有多自由度和強(qiáng)容錯(cuò)能力。采用非正弦勵(lì)磁控制技術(shù)可以提高氣峰值，使氣隙磁密為準(zhǔn)方波，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩密度的提高。在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能實(shí)行，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。正因?yàn)檫@些顯著優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)各國(guó)紛紛開(kāi)展了的研究，并取得了大量成果[14-30]。目前，基于大功率驅(qū)動(dòng)和發(fā)電的多相電機(jī)系統(tǒng)用多種場(chǎng)合得到了應(yīng)用，如船舶等電力推進(jìn)領(lǐng)域和大型風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。鑒于多相好研究基礎(chǔ)和發(fā)展前景，將多相電機(jī)系統(tǒng)拓展到航空發(fā)電領(lǐng)域也是很有優(yōu)勢(shì)。為型異步發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，并解決上述問(wèn)題，本文構(gòu)建了多相籠型異步發(fā)電系統(tǒng)如圖始建壓勵(lì)磁電源采用低壓小容量蓄電池。當(dāng)負(fù)載不工作時(shí)，48V 蓄電池不會(huì)給它工作時(shí)，270V 直流電壓大于電池電壓，二極管截止，48V 蓄電池也不會(huì)給它供電

雙繞組五相異步發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)及容錯(cuò)運(yùn)行組異步發(fā)電機(jī)繼承了籠型異步發(fā)電機(jī)的固有優(yōu)點(diǎn)，克服了電機(jī)、變換器和負(fù)所產(chǎn)生的不足，尤其是所需變換容量大和電磁兼容性不好等問(wèn)題，成為研究圖 1. 3 給出現(xiàn)有三相雙繞組異步發(fā)電機(jī)(Dual stator-winding induction generat圖。該發(fā)電機(jī)的功率繞組輸出電能給負(fù)載；其控制繞組負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁場(chǎng)耦合，極數(shù)相等，匝比及容量可變，電磁兼容性好。而且通過(guò)電機(jī)及系統(tǒng)化，可使變換器容量大為減小（一般約為額定容量的 1/3）。針對(duì)海上風(fēng)力發(fā)系統(tǒng)中大容量的需求，可以通過(guò)提高器件的電壓等級(jí)或者采用多相來(lái)提高容

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2806426