無(wú)刷雙饋電機(jī)在獨(dú)立電源系統(tǒng)中應(yīng)用的仿真研究

姜忠山，王賽，崔翰明

（1．海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264001；2．海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)代表室，江西景德鎮(zhèn) 333000）

無(wú)刷雙饋電機(jī)在獨(dú)立電源系統(tǒng)中應(yīng)用的仿真研究

姜忠山1，王賽1，崔翰明2

（1．海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264001；2．海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)代表室，江西景德鎮(zhèn) 333000）

分析了無(wú)刷雙饋電源系統(tǒng)變速恒頻的運(yùn)行原理，結(jié)合獨(dú)立電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了系統(tǒng)在空載和帶負(fù)載狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型；對(duì)系統(tǒng)空載至負(fù)載、轉(zhuǎn)速突變、負(fù)載突變等情況進(jìn)行了仿真研究，分析了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性；通過(guò)仿真驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，而且通過(guò)電壓的標(biāo)量控制可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓的恒定。

變速恒頻；無(wú)刷雙饋電機(jī)；系統(tǒng)建模；獨(dú)立電源系統(tǒng)；仿真研究

0 引 言

獨(dú)立電源系統(tǒng)是指航空航天器、汽車、輪船等電源系統(tǒng)的總稱。近年來(lái)，隨著各種先進(jìn)設(shè)備的出現(xiàn)，對(duì)獨(dú)立電源系統(tǒng)的供電性能提出了更高的要求，開發(fā)高質(zhì)量高品質(zhì)的獨(dú)立電源系統(tǒng)受到了業(yè)界高度的重視，并取得了一些成果。

無(wú)刷雙饋電機(jī)（Brushless Double-Fed Generator，BDFG）是一種有著廣闊應(yīng)用前景的新型電機(jī)，該電機(jī)變頻器容量小，無(wú)電刷和滑環(huán)，可以運(yùn)行于亞同步速、同步速、超同步速，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電［1］，目前，對(duì)于雙饋發(fā)電機(jī)［2］和無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)［3］及其控制策略的研究，多集中在風(fēng)力發(fā)電［4］等并網(wǎng)型電源系統(tǒng)?？梢?jiàn)，將其應(yīng)用于獨(dú)立電源系統(tǒng)，有重要的科學(xué)意義和重大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)運(yùn)行原理

如圖1所示，BDFG的定子裝有兩套不同極對(duì)數(shù)的繞組，一套繞組接電網(wǎng)或負(fù)載，稱為功率繞組，極對(duì)數(shù)為pp；另一套繞組通過(guò)功率變換器接入定子，稱之為控制繞組，極對(duì)數(shù)為pc。

圖1 BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

則功率繞組供電頻率為：

由式（1）可以看出，通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組的頻率fc，就可以調(diào)節(jié)功率繞組的頻率fp，即可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立電源系統(tǒng)的變速恒頻發(fā)電。

2 BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)［5］給出了風(fēng)力發(fā)電等并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子速d－q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型：

并網(wǎng)型電源系統(tǒng)實(shí)際上是一種受控電源，其功率繞組定子側(cè)接無(wú)窮大電網(wǎng)，其電壓不可控且負(fù)載不可分析。當(dāng)應(yīng)用于獨(dú)立電源系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)確保其輸出電壓幅值的恒定，而由于是帶獨(dú)立負(fù)載易分析，應(yīng)首先針對(duì)該系統(tǒng)功率繞組端的特點(diǎn)，建立起B(yǎng)DFG獨(dú)立電源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

在定子功率繞組側(cè)，采用發(fā)電機(jī)慣例，電壓方程為：

假設(shè)所帶三相對(duì)稱負(fù)載阻抗Zl＝Rl＋jXl，則：

定子功率繞組側(cè)磁鏈方程為：

將式（3）、（4）帶入式（5）可以重新改寫式（2）式中的前兩式，在式中，功率繞組采用發(fā)電機(jī)慣例，控制繞組采用電動(dòng)機(jī)慣例，得到BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)子速d－q軸坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型：

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

在式中，下標(biāo)p、c、r、l分別表示功率繞組、控制繞組、轉(zhuǎn)子和負(fù)載；下標(biāo)d、q表示d軸分量和q軸分量；Ωr表示轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；u、i表示電壓和電流的瞬時(shí)值；p表示微分算子。

特殊地，空載情況時(shí)，功率側(cè)電流ipds、ipqs均為零，其數(shù)學(xué)模型可簡(jiǎn)化為：

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

3 BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真

為研究BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在MATLAB／Simulink環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真（如圖2）。

仿真用BDFG的參數(shù)如下：lcs＝0．158 H，lcm＝0．147 H，lr＝0．298 H，rcs＝5．3Ω，rr＝7．6Ω，lps＝0．178 H，lpm＝0．169 H，rps＝3．46Ω，pp＝3，pc＝1。

由于功率繞組端不接無(wú)窮大電網(wǎng)，要實(shí)現(xiàn)BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)電壓的恒定，在仿真過(guò)程中需要對(duì)電壓進(jìn)行標(biāo)量控制。

在整個(gè)過(guò)程中，為了對(duì)系統(tǒng)由空載至接入負(fù)載，轉(zhuǎn)速變化分別運(yùn)行于亞同步速、同步速、超同步速以及對(duì)負(fù)載突變的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)輸出為220 V，50 Hz三相交流電，具體如下：

在0～1 s時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在亞同步速600 r／min，勵(lì)磁頻率fc＝10 Hz，系統(tǒng)處于空載狀態(tài)；在1 s時(shí)刻接入負(fù)載Zl運(yùn)行，其中Rl＝100Ω，Ll＝0．32 H，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁頻率不變；4 s時(shí)轉(zhuǎn)速增加至同步速750 r／min，此時(shí)fc＝0 Hz；6 s時(shí)再次增加轉(zhuǎn)速至超同步速900 r／min，fc＝10 Hz；8 s時(shí)增加負(fù)載至Rl＝150Ω，Ll＝0．4 H，轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁頻率保持不變。

圖4為功率繞組輸出相電流波形，輸出結(jié)果驗(yàn)證了BDFG獨(dú)

圖2 BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)MATLAB仿真

圖3 功率繞組相電壓波形

立電源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，圖3為功率繞組輸出相電壓波形，可以看出，通過(guò)電壓的標(biāo)量控制可以實(shí)現(xiàn)功率繞組輸出電壓的恒定；通過(guò)圖5可以看出，變速恒頻是通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組的勵(lì)磁頻率實(shí)現(xiàn)的，輸出電壓大小則是通過(guò)改變控制繞組電流大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的；通過(guò)圖6可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)保持恒定，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)同步速時(shí)，由于控制繞組電流相序相反，其電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大波動(dòng)，另外，電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速與負(fù)載的增大而增大，電磁轉(zhuǎn)矩顯示為阻轉(zhuǎn)矩也和發(fā)電機(jī)的特性一致。

圖4 功率繞組相電流波形

圖5 控制繞組相電流波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了BDFG在獨(dú)立電源系統(tǒng)中的應(yīng)用。在BDFG轉(zhuǎn)子速d－q坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了BDFG獨(dú)立電源系統(tǒng)的雙同步速M(fèi)T坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，包括系統(tǒng)的負(fù)載模型與空載模型；最后對(duì)系統(tǒng)空載至負(fù)載、轉(zhuǎn)速突變、負(fù)載突變等情況進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻恒壓的輸電。

圖6 系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩

［1］焦衛(wèi)星，程小華．無(wú)刷雙饋電機(jī)智能控制策略綜述［J］．微電機(jī)，2011，44（6）：91－94．

［2］林成武，王鳳翔，姚興佳．變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（11）：122－125．

［3］黃守道．無(wú)刷雙饋電機(jī)的控制方法研究［D］．長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)博士論文，2005，25（4）：87－93．

［4］金石．變速恒頻無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究［D］．沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)博士論文，2011：75－88．

［5］卞松江，賀益康，潘再平．級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋電機(jī)的建模與仿真［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（12）：34－37．

Simulation Study on Application of BDFG in Stand-alone Power Supply System s

JIANG Zhong-shan1，WANG Sai1，CUIHan-ming2
（1．Naval Navigation Engineering College，Yantai Shandong 264001，China；2．Jingdezhen Naval Representative Office，Jingdezhen Jiangxi333000，China）

According to the characteristics of the stand-alone power supply system，this paper analyses the operational principle of the variable speed constant frequency（VSCF）of the brushless doubly-fed generator（BDFG）and establishesmathematicalmodels with zero load and with load．A simulation study ismade on the zero load to load transfer，rotating speed mutation and load mutation，and dynamic characteristics of the system is analyzed．Through simulation，it is verified that this system can realize VSCF generation and constant system output voltage can be obtained through scalar voltage control．

VSCF；BDFG；system modeling；stand-alone power supply system；simulation study

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．004

TM310

A

1000－3886（2014）04－0010－03

姜忠山（1963－），男，山東人，副教授，專業(yè)：飛行器電氣工程。

定稿日期：2013－09－02