雙饋發(fā)電機(jī)也稱交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī),它在結(jié)構(gòu)上類似于繞線式感應(yīng)電機(jī),定子三相繞組接工頻電網(wǎng),通過(guò)靜止變頻器給轉(zhuǎn)子繞組提供低頻交流勵(lì)磁,可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功和轉(zhuǎn)速的獨(dú)立調(diào)節(jié)。該發(fā)電機(jī)具有良好的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的進(jìn)相運(yùn)行能力;具有原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況下實(shí)現(xiàn)定子恒頻的特性,即變速恒頻的發(fā)電能力,在風(fēng)力發(fā)電、抽水蓄能,提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,正逐步受到人們的關(guān)注和重視。 目前已有不少應(yīng)用矢量控制技術(shù)研究了雙饋發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功的解耦控制。采用基于氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制技術(shù),推導(dǎo)了雙饋發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)下的有功、無(wú)功解耦勵(lì)磁控制模型,但由于在推導(dǎo)中忽略了定子漏阻抗和轉(zhuǎn)子漏感的影響,往往帶來(lái)勵(lì)磁控制模型精度下降。采用基于定子磁場(chǎng)或定子電壓定向的矢量控制技術(shù),仿真表明該勵(lì)磁控制模型精度較高,但也存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差的缺陷。然而上述無(wú)論是采用氣隙磁場(chǎng)定向、定子磁場(chǎng)定向或定子電壓定向的矢量控制技術(shù),其共同特點(diǎn)都是基于傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)概念,即需要測(cè)量定、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)速作為勵(lì)磁控制器的反饋信號(hào),并且其測(cè)量精度、實(shí)時(shí)性很大程度上決定了雙饋發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和控制精度。 在雙通道下建立了動(dòng)態(tài)同步軸系的控制方程,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)解耦控制,但在有功通道的反饋信號(hào)中還是需要定子量、轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)速量的檢測(cè)。盡管提出了一種基于定子電壓定向的不需要測(cè)量轉(zhuǎn)子電流的雙饋發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功的魯棒控制策略,但該算法僅僅適用于定子有功、無(wú)功的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié),并不能進(jìn)行轉(zhuǎn)速的獨(dú)立調(diào)節(jié),甚至很難進(jìn)行短路故障等問(wèn)題的研究。 本文從電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程出發(fā),針對(duì)并網(wǎng)雙饋發(fā)電機(jī)提出一種基于無(wú)窮大電網(wǎng)電壓定向的新穎控制策略,建立了相應(yīng)的勵(lì)磁控制方程。對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功和轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性以及考慮電機(jī)運(yùn)行中轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響進(jìn)行了仿真,最后對(duì)其三相機(jī)端對(duì)地突然短路的過(guò)渡過(guò)程也進(jìn)行了研究。 2雙饋發(fā)電機(jī)模型和勵(lì)磁控制模型2.1雙饋發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型假設(shè)雙饋發(fā)電機(jī)定子電壓、電流正方向按發(fā)電機(jī)慣例,轉(zhuǎn)子電壓電流的正方向按電動(dòng)機(jī)慣例時(shí),可以寫(xiě)出同步旋轉(zhuǎn)d-q軸系下三相對(duì)稱系統(tǒng)的雙饋發(fā)電機(jī)的電壓和磁鏈方程為電壓矢量;/為電流矢量;表示磁鏈;尺為電阻;i為電感;1為定轉(zhuǎn)子之間的互感;D=d/d(為微分算子;(其中凡和厶包含了電網(wǎng)線路電阻和電感)、(分別為電機(jī)同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度,且滿足式(5)。 以定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量,聯(lián)立式(1)(4),可得雙饋發(fā)電機(jī)為供的機(jī)械轉(zhuǎn)矩;Tem為電磁轉(zhuǎn)矩;=4(1- 2.2基于無(wú)窮大電網(wǎng)電壓定向的控制模型取無(wú)窮大電網(wǎng)電壓矢量的方向?yàn)閐軸,可得約束條件為雙饋發(fā)電機(jī)定子端向系統(tǒng)輸出的有功、無(wú)功計(jì)算表達(dá)式為由式(13)可知,當(dāng)要求雙饋發(fā)電機(jī)輸出一定的有功、無(wú)功時(shí),定子電流同步軸系d-q軸分量的指令值(用表示)則為因此,對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功的調(diào)節(jié)即可通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓控制,實(shí)現(xiàn)定子電流d-q軸分量的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中的關(guān)系如下其中勵(lì)磁電壓的指令值可由電機(jī)狀態(tài)方程式(8)(9)得到為了求得轉(zhuǎn)子磁鏈指令值和定子電流指令值之間的關(guān)系,現(xiàn)將調(diào)節(jié)過(guò)程中定子電流、轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子角速度的動(dòng)態(tài)關(guān)系表示如下可以得到定子電流動(dòng)態(tài)變化量為因此,從式(20)中可以得出轉(zhuǎn)子磁鏈指令值為在調(diào)節(jié)過(guò)程中轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓的動(dòng)態(tài)變化量可以按下式求得。其中,比例調(diào)節(jié)系數(shù);>0.由此,式(15)(17)、(21)、(22)共同構(gòu)成了基于無(wú)窮大電網(wǎng)電壓定向的勵(lì)磁控制模型。 為了便于研究系統(tǒng)的短路故障,并網(wǎng)雙饋發(fā)電機(jī)定子端電壓和無(wú)窮大母線電壓之間的電路方程為式(23)所示0.394Q/km,雙回路出線,電廠與無(wú)窮大母線的線路長(zhǎng)度為100km. 3.2穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性的仿真研究對(duì)該雙饋發(fā)電機(jī)實(shí)施上述提出的勵(lì)磁控制策略進(jìn)行定子有功、無(wú)功和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的仿真研究。分別給出了具體仿真結(jié)果。其中,是有功從0.8調(diào)到0.9,維持無(wú)功0.5,轉(zhuǎn)差率0.05不變的仿真結(jié)果;是無(wú)功從0.4調(diào)到0.5,維持有功0.9,轉(zhuǎn)差率0.05不變的仿真結(jié)果;是轉(zhuǎn)差率從0.05調(diào)到0.055,維持有功0.9,無(wú)功0.5不變的仿真結(jié)果;是有功從0.8調(diào)到0.9,轉(zhuǎn)差率從0.05調(diào)到0.055,維持無(wú)功0.5不變的仿真結(jié)果。另外,為了考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化對(duì)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性的影響,在中增加了發(fā)電機(jī)運(yùn)行中轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子漏抗值出現(xiàn)誤差時(shí)的仿真結(jié)果。圖中,曲線1表示電機(jī)運(yùn)行參數(shù)沒(méi)有發(fā)生變化時(shí)的仿真結(jié)果,曲線2表示電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)子電阻、漏抗值增加10%的仿真結(jié)果。比較曲線1與2可以看出,電機(jī)運(yùn)行時(shí)如轉(zhuǎn)子參數(shù)變化后,勵(lì)磁控制模型還是有效的,仍可達(dá)到有功、無(wú)功功率和轉(zhuǎn)速的解耦控制效果。 3.3暫態(tài)特性的仿真分析雙饋發(fā)電機(jī)在理論上具有良好的暫態(tài)穩(wěn)定性,其前提是勵(lì)磁電壓的頻率、幅值和相位能夠快速準(zhǔn)主要研究方向?yàn)殡p饋發(fā)主要從事電機(jī)及其控制確地跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化,在系統(tǒng)短路及恢復(fù)正常后可以得到很大的電磁轉(zhuǎn)矩,以最大程度地限制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的上升。為研究本文所提出的勵(lì)磁控制策略能否滿足這一要求,本文就并網(wǎng)雙饋發(fā)電機(jī)三相機(jī)端對(duì)地突然短路進(jìn)行仿真研究。和分別給出了雙饋發(fā)電機(jī)在發(fā)無(wú)功和吸無(wú)功兩種狀態(tài)下,三相機(jī)端短路后,雙饋發(fā)電機(jī)的有功、無(wú)功和轉(zhuǎn)差率過(guò)渡過(guò)程的仿真曲線,短路故障發(fā)生在0.1s,短路持續(xù)時(shí)間設(shè)為0.25s(假定短路過(guò)渡過(guò)程原動(dòng)機(jī)的輸入功率保持不變)。其中為短路故障前有功尸s=0.9,無(wú)功gs=0.5,00.5的暫態(tài)仿真結(jié)果;為短路故障前有功尸s=0.9,無(wú)功搡=-0.5,00.5的暫態(tài)仿真結(jié)果。 發(fā)無(wú)功狀態(tài)下雙饋發(fā)電機(jī)的暫態(tài)特性曲線吸無(wú)功狀態(tài)下雙饋發(fā)電機(jī)的暫態(tài)特性曲線4結(jié)論通過(guò)建立控制變量的動(dòng)態(tài)方程,本文提出了基于無(wú)窮大電網(wǎng)電壓定向的雙饋發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略,該勵(lì)磁控制策略不需要轉(zhuǎn)子電流的測(cè)量和轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào),一定程度上簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。 另外,本文對(duì)并網(wǎng)雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行了定子有功、無(wú)功和轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性以及考慮電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響進(jìn)行了仿真研究,結(jié)果表明,運(yùn)用該控制策略雙饋發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)定子有功、無(wú)功及轉(zhuǎn)速的獨(dú)立調(diào)節(jié)或有功和轉(zhuǎn)速的同時(shí)調(diào)節(jié),具有較好穩(wěn)定性。從其機(jī)端三相突然短路的暫態(tài)特性仿真分析表明,在短路故障切除后,無(wú)論發(fā)電機(jī)的初始狀態(tài)是發(fā)無(wú)功還是吸無(wú)功系統(tǒng)都能迅速趨于穩(wěn)定,并且在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后其有功、無(wú)功及轉(zhuǎn)差率都能回到原來(lái)的設(shè)定值穩(wěn)定運(yùn)行,具有較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和動(dòng)態(tài)跟蹤能力?傊,從穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的仿真結(jié)果表明,本文提出的勵(lì)磁控制策略是正確的。