专利名称：定子双绕组异步电机发电系统设计及控制方法
技术领域：
本发明所涉及的是一种适用于变速运行的定子双绕组异步电机发电系统的优化设计和控制方法。
背景技术：
飞机、坦克、军舰等高新技术的高度发展，大量的控制设备和精密电子设备都必须采用现代计算机控制技术，对电源提出了越来越高的要求，不仅要求电源大幅度提高容量，而且要求高性能、高稳定性、高可靠性、高性价比等性能品质。为此美国等西方发达国家进入上世纪80年代以后，投入了大量的人力、物力开展了这方面的研究。1997年美国NASA Lewis研究中心的专家指出，随着电力电子技术的发展，对于未来的航空电源系统，笼型异步电机最有可能被用作航空用发电机。美国Wisconsin(威斯康星)大学已研究出10马力的异步电机发电系统的地面样机，正在进一步作航空应用的研究。与此同时，美国为适应坦克等装甲战斗车辆高度发展的需要，也对坦克等电源系统进行了研究和开发。这种独立电源系统常有二种方式，一种是起动发电系统，它要求该系统同时具有起动和发电双功能，另一种是只要求有发电功能，这二种系统要求不一样，设计也很不一样。进入二十一世纪后，独立电源系统基本上统一了认识，认为在独立电源系统中，270V的高压直流馈电是最受人欢迎的。美国第四代战斗机F22和正在研制的最新战斗机F35都是采用270V的直流馈电。
在民用方面，风力发电正在成为各国努力发展的热门技术，因为它在克服能源缺乏和防止环境污染方面，有着非常重要的意义。风力发电中大量使用异步电机，当前最通用的发电技术是异步电机三相交流双馈发电技术，它的特点是利用变速恒频技术，直接发出电压稳定的三相50Hz交流电。近年来，在国外又兴起了海上风力发电，1998年ABB公司开发了单机容量为3～5MW，电压为1.2KV的高压同步发电机，计划安装于瑞典的一个近海风场，以期对海上风电场做出评价。这种海上风电场，由于铺设电缆特别困难，也要求直流馈电，因此，发展异步电机直流馈电的发电系统就从军用、民用等不同的角度提到重要的议事日程上来了。
定子双绕组异步发电系统近年有所研究，我国海军工程大学在船舶电源系统中就是采用这种定子双绕组异步发电机系统，但是它的特点是发电机转速基本为恒速，它的设计方法和控制方法都不能适用于转速大范围变化的场合。转速在大范围内变化的定子双绕组异步发电系统至今无人研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能适用于转速大范围变化场合的即适合独立电源系统应用，又适合海上风力发电应用的定子双绕组异步发电系统的设计方法及控制方法。
本发明定子双绕组异步发电系统的设计方法是，在转速和负载的变化范围内，以励磁变换器容量最小为优化设计目标的电机参数和系统参数的综合优化设计方法，即把电机参数和系统参数(主要是交流电容C2)一道，在转速和负载变化范围内，用具有全面搜索功能的遗传算法进行优化迭代，选择异步电机输出端的交流电容值和电机参数，使感性励磁电流Ix的最大绝对值与容性励磁电流Ix的最大绝对值相等，来求得转速和负载变化范围内的电机参数和系统参数，实现励磁变换器容量最小的目的。这种设计方法有别于常规的电机与系统分别独立设计的方法。
本发明定子双绕组异步发电系统的控制方法是，根据系统瞬时转速和负载大小计算控制器应该提供的无功电流大小，由励磁变换器向电机提供的容性无功电流或感性无功电流，实现输出电压的恒定。
该控制方法的具体步骤是(1)将励磁变换器直流侧电容上的给定电压与该电容上的实际电压进行比较后，送入PI调节器，输出有功电流指令信号；(2)将输出直流电压的给定信号与输出直流电压的实际信号进行比较后送入另一个PI调节器，输出无功直流指令信号；(3)对上述输出的有功电流指令信号和输出无功直流指令信号，进行2/3变换，得到励磁绕组三相给定电流；(4)利用励磁变换器和电流闭环，实现实际的励磁绕组三相电流跟踪励磁绕组三相给定电流，最终实现对系统的控制。
本发明的励磁变换器容量仅为总输出容量的1/3左右，减小了体积，降低了成本，能输出恒定的可与直流电网并网的直流电，既适合独立电源系统应用，又适合海上风力发电应用。
四
图1是定子双绕组异步电机发电系统原理图。
图1中标号名称1.定子双绕组异步电机，2.励磁变换器。3.励磁变换器直流侧电容C1，4.控制器，5.定子双绕组异步电机输出端交流电容C2，6.整流器，7.滤波电容C3，8.电流传感器，9与10，电压传感器，11.逆变器，12.逆变器控制器。
图2是外加电流源和交流电容的双绕组异步发电机等效电路示意3是双绕组异步发电机控制绕组电流变化规律曲线示意图。
图3中曲线1与2代表额定负载运行的电流的变化规律，曲线3代表空载运行的电流的变化规律。
图4是励磁系统控制算法原理图五具体实施方式
本发明提出的定子双绕组异步电机发电系统如附图1所示，电机1的转子也是普通笼型转子，但定子具有两套绕组，一套为主绕组，向外传递电功率，输出端接有交流电容5、整流器6和滤波电容7输出恒压直流，它可直接向用电设备馈电，也可和电压适合的直流电网并网。如果要对外供给交流电，则要加逆变器11和控制器12，它可以和50Hz的三相交流大电网并网。另一套为励磁绕组，接有励磁变换器2，电容3和控制器，由励磁变换器提供所需的无功电流，采用一定的控制策略，可以有效地调节主绕组输出电压保持恒定。二套定子绕组的级数相同。由于两套定子绕组在电气上没有直接连接，只是通过磁耦合，无需并联式异步电机发电系统所需要的隔离电感，减小了系统的体积重量；另外励磁回路和功率回路没有电路连接，便于实现高性能的控制。
该系统的一大优势在于异步发电机在转速和负载在较大范围变化时，供给无功功率的励磁变换器容量比发电机额定容量要小得多，从而大大降低了系统的成本。但是励磁变换器的容量和电机参数、负载、原动机转速及其变比、励磁电容等有很大关系，如何在一定的运行速度范围内使励磁变换器的容量最小，是该系统优化的关键。
本发明提出了电机和系统参数的设计方法，以确保励磁变换器的容量最小。该方法的重要特征是把电机参数和系统参数(主要是交流电容C2)一道，在转速和负载范围内，用具有全面搜索功能的遗传算法进行优化迭代。得到适合全变化范围内的电机与系统参数。
其具体方法步骤是(1)给定转速和负载变化范围；(2)根据外加电流源和交流电容的双绕组异步发电机等效电路，列出系统的仿真程序，此仿真程序包含系统参数交流电容(C2)和电机参数；(3)根据优化的准则在整个变化范围内，使感性|Ix|max＝容性|Ix|max，用遗传算法优化迭代，得到适合变化范围内的交流电容(C2)和电机参数。
在完成硬件设计后，要达到励磁变换器容量最小的目的，还必须实现相应的控制策略，本发明提出的控制策略要点是根据发电系统实时运行时的转速，负载大小，计算出控制器应该提供的无功电流大小，它可以在系统所能提供的最大感性电流和最大容性电流之间连续变化，以确保输出电压不变。
根据附图1所示的系统原理图，首先进行电机参数与交流电容C2的优化设计。包括交流电容C2的定子双绕组异步发电机等效电路图如附图2所示，图中Ix是期待的励磁电流。该电流Ix为正时，表示励磁电流支路向电机补偿容性电流；该电流Ix为负时，则表示向电机补偿励磁电流。交流电容C2的取值，应使整个运行区间内励磁电流|Ix|max达到最小。
本发明指出，励磁电流Ix的大小随转速变化的规律和负载大小有关，还和电机参数有关。当负载为空载时，变换规律比较简单，它的变化趋势如附图3中曲线3，其特点是不管电机参数如何，励磁电流Ix都是随转速的增大，向负方向(即容性电流方向)作单调的变化。因此，它的容性电流最大值|Ix|max在E点处，即在最高转速处。但是，当带负载后，情况变得很复杂。首先，它不是如曲线3那样呈单调变化，而是呈凹形变化，(见附图3的曲线1和曲线2)，因此它的最大值|Ix|max在曲线的两端点。其次，凹线曲线有二种形态一种是左高右低，(如曲线1)，一种是左低右高，(如曲线2)。到底哪一种形态，决定于电机的漏抗。而电机的漏抗在优化设计的迭代过程中是变化的，因此这种曲线就有可能在曲线1和曲线2二种形态中变化，这是这种变速系统一个最特征的现象。再者，在额定负载时，励磁电流Ix必定是感性电流。因此，感性电流的最大值|Ix|max就有可能在曲线1的A点，也可能在曲线2的D点。A点对应额定转速，D点对应最大转速。
为了使励磁变换器的容量最小，优化的准则是在整个变化范围内，选择合适的交流C2和电机参数，使感性|Ix|max＝容性|Ix|max。
从以上的分析可以看出，系统的变化规律很复杂，必须选用具有全面优化能力的方法才能达到目的，本发明推荐采用遗传算法完成此任务。
励磁电流的控制规律在已优化的系统中，必须配以相适应的控制规律，才能保证系统的正常运行。控制的几条基本原则是(1)必须根据实时的转速和负载情况，励磁变换器向电机提供合适的无功电流。
(2)由于励磁绕组支路也会消耗一部分有功，因此，为了维持励磁变换器直流侧电容C1上的电压，还应该从发电机获取部分的有功能量，以抵消该支路的消耗。
控制算法原理如附图4所示。图4中Uc*为电容C1给定的电压，Uc为实际C1上的电压，比较后送入PI调节器，输出有功电流指令信号id*。另外，Udc*为输出的直流电压的给定信号，Udc为实际的输出直流电压，它们比较后送入PI调节器，输出无功直流指令信号iq*。对id*，iq*进行2/3变换，得到励磁绕组三相给定电流isa*，isb*，isc*，利用励磁变换器和电流闭环，实现实际的励磁绕组三相电流isa，isb，isc跟踪三相给定电流isa*，isb*，isc*，最终实现系统的控制。
权利要求
1.一种定子双绕组异步电机发电系统设计方法，其特征在于，把电机参数和系统参数一道，在转速和负载变化范围内，用具有全面搜索功能的遗传算法进行优化迭代，选择异步电机输出端的交流电容(C2)值和电机参数，使感性励磁电流(IX)的最大绝对值与容性励磁电流(IX)的最大绝对值相等，来求得转速和负载变化范围内的电机参数和系统参数，实现励磁变换器容量最小，其具体方法步骤是(1)给定转速和负载变化范围；(2)根据外加电流源和交流电容的双绕组异步发电机等效电路，列出系统的仿真程序，此仿真程序包含系统参数交流电容(C2)和电机参数；(3)根据优化的准则在整个变化范围内，使感性|Ix|max＝容性|Ix|max，用遗传算法优化迭代，得到适合变化范围内的交流电容(C2)和电机参数。
2.一种定子双绕组异步电机发电系统的控制方法，其特征在于，根据该电机发电系统瞬时转速和负载大小，计算控制器应该提供的无功电流大小，由励磁变换器向该电机提供容性无功电流或感性无功电流，实现输出电压的恒定，其具体方法步骤是(1)将励磁变换器直流侧电容上的给定电压与该电容上的实际电压进行比较后，送入PI调节器，输出有功电流指令信号；(2)将输出直流电压的给定信号与输出直流电压的实际信号进行比较后送入另一个PI调节器，输出无功直流指令信号；(3)对上述输出的有功电流指令信号和输出无功直流指令信号，进行2/3变换，得到励磁绕组三相给定电流；(4)利用励磁变换器和电流闭环，实现实际的励磁绕组三相电流跟踪励磁绕组三相给定电流，最终实现对系统的控制。
全文摘要
一种定子双绕组异步电机发电系统设计及控制方法，属异步发电机系统。其设计方法是，在转速和负载变化范围内，采用遗传算法进行优化迭代，选择异步电机(1)输出端的交流电容(C2)值和电机参数，使感性励磁电流和容性励磁电流的最大绝对值相等，求得转速和负载变化范围内的电机参数和系统参数，实现励磁变换器(2)容量最小；其控制方法是，根据瞬时转速和负载大小，计算控制器(4)应提供的无功电流大小，由励磁变换器(2)向该电机提供容性无功电流或感性无功电流，实现输出电压的恒定。该发电系统的励磁变换器容量仅为总输出容量的1/3左右，减小了体积，降低了成本，能输出恒定的可与直流电网并网的直流电，即适合独立电源系统应用，又适合海上风力发电应用。
文档编号H02P9/14GK1728511SQ200510041200
公开日2006年2月1日 申请日期2005年7月27日 优先权日2005年7月27日
发明者胡育文, 黄文新, 刘陵顺 申请人:南京航空航天大学