导　　师： 胡育文

学科专业： H0804

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 南京航空航天大学

摘　　要： 随着新能源发电和独立电源技术的发展，由电力电子变换器控制的异步电机发电技术正在成为国内外研究和应用的热点。
　　 本论文研究了两种异步电机发电系统，一种是普通笼型异步发电机，通过电力电子变换器输出直流电压，变换器对系统励磁无功功率进行调节的同时也控制着系统的有功功率。另一种是新型的双定子绕组异步发电机 (DWIG)，定子上装有两套极对数相同的绕组，分别称为功率绕组和控制绕组——功率绕组输出的三相变频交流电，通过二极管整流后输出直流电压；控制绕组接电力电子变换器，主要调节发电系统的无功功率。
　　 第一种笼型异步发电机系统，采用了新颖的瞬时转矩控制(ITC)技术，具有出色的动静态性能，且该系统能够实现起动/发电的双功能。第二种DWIG系统只具有发电功能，它具有如下的特点：(1)功率绕组通过整流桥向负载提供直流电，而控制绕组只提供励磁功率，变换器容量大大小于系统的额定输出功率；(2)DWIG能够在宽变速运行过程中输出稳定的直流电压；(3)通过定子两套绕组匝比的灵活配置，使两套绕组具有不同的电压等级。
　　 变速运行的DWIG发电系统是本文研究的重点。作为理论分析和仿真研究的基础，文章深入分析了各绕组的自感系数、绕组间的互感系数以及绕组互漏感等参数，建立了DWIG发电机的数学模型。
　　 通过在DWIG的功率绕组侧安装励磁电容器，可以有效的减小控制绕组侧变换器的容量；但宽变速运行的DWIG发电机系统，其励磁电容的选择应该综合考虑，否则在整个转速范围内运行时非但不会减少变换器容量反而会使其过大。针对功率绕组带整流桥负载的这类运行状况，本文采用“仿真以理论为参考、实验以仿真为依据”的综合设计方法，借助计算机强大的数值计算能力，对励磁电容进行了优化设计。
　　 变速运行的DWIG发电系统控制策略的研究在国内外尚属空白。本文从电流型控制和电压型控制两个方面对变速运行的DWIG发电系统的控制技术进行了系统的研究，构建了较为完备的DWIG发电系统的控制策略研究体系。
　　 对于DWIG的电流型控制，本文提出了基于定子磁场定向的滞环电流控制策略，其特征是经过电流环对输出电压进行调节。通过电路参数和控制器参数的合理设计，在作者开发的一台18KW/270V DWIG的物理实验平台上实现了发电系统的宽转速(4000RPM~8000RPM)全负载运行。针对数字滞环控制策略中开关频率不固定、滤波电感感值大的不足，将SVM引入替代数字滞环控制器，仿真和实验结果证明，SVM控制下的DWIG发电系统不仅降低了滤波电感值，而且提高了发电系统的动静态性能品质。
　　 对于DWIG的电压型控制，本文提出了DWIG发电系统的直接功率控制(DPC)技术，其特征是根据输出电压的状况和控制绕组磁链矢量的相位信息，选择最优的基本电压空间矢量作用到控制绕组上去，以对瞬时功率进行直接控制，从而实现系统调压。DPC实现了SEC三相桥臂间的关联控制，避免了各相独立控制中的无效开关过程及电流的失控现象，从而提高了电压输出的动态性能。它无需复杂的坐标旋转变换、没有电流环和PWM调制模块，结构简单、实现方便、物理概念清晰，以简洁的硬件结构和简短的软件开销获得了良好的实验效果。
　　 对独立电源系统和风力发电两个应用领域进行了相应的针对性研究。针对现役飞机、坦克战车等低压大电流独立电源系统，本文充分利用了DWIG发电系统两套定子绕组的结构特点，通过提高控制绕组电压等级，在控制绕组侧形成了高电压小电流的新型无刷交流励磁控制系统，有效的降低了系统的成本和体积，使DWIG的结构特点更为凸显。用经过前文实验验证的电流滞环控制策略，对该低压中功率DWIG发电系统的运行能力进行了研究，证明了该DWIG发电机系统的控制侧小电流调节功率侧大电流输出的正确性和有效性。
　　 针对风力发电的应用，本文构建了基于DWIG的风力发电系统，研究了不同风速下的DWIG风电系统的运行控制，对适用于DWIG风电系统的最大风能追踪控制技术进行了理论分析和仿真验证。为通过实验验证其可行性，针对风电的转速和电压要求，重新设计并制造了一台20KW DWIG原理样机，采用了前文提出的电流滞环控制策略对该电机包括变速运行、突加突卸负载、发热和效率等基本运行特性进行了研究，表明适用于风电运行需求的DWIG是可行的、运行是可靠的，这为进一步将基于DWIG的风电系统推向工程化打下了基础。

关 键 词： 异步电机 发电系统 电力电子变换器 功率绕组 瞬时转矩控制

分 类 号： [TM343 TM564.9]

领　　域： [电气工程] [电气工程]