不同控制策略下定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓效果與運(yùn)行特性分析

韓 力 ，盧 彬 ，2，羅張堯 ，3

（1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.成都南車電機(jī)有限公司 設(shè)計(jì)部，四川 成都 610051；3.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司 萬州供電分公司，重慶 404000）

0 引言

定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)DWIG（Dual stator-Winding Induction Generator）作為一種新型交流發(fā)電機(jī)，克服了傳統(tǒng)感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)中勵(lì)磁變換器容量大、諧波污染嚴(yán)重等問題，具有體積小、可靠性高、勵(lì)磁無功連續(xù)可調(diào)、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在獨(dú)立電源［1-2］和風(fēng)力發(fā)電［3-5］領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，DWIG的運(yùn)行性能對(duì)控制策略的依賴性較高。采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，才可充分發(fā)揮其性能。目前，應(yīng)用于DWIG的控制策略有滯環(huán)電流控制［6-8］、改進(jìn)的滯環(huán)電流控制［3，9］、直接功率控制［10-11］、基于空間電壓矢量調(diào)制的PWM控制［12］、瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制［13-15］等。雖然現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)DWIG的控制策略進(jìn)行了廣泛研究并取得了一系列成果，但其均是基于同一種控制策略對(duì)DWIG的穩(wěn)壓效果進(jìn)行研究，而未有文獻(xiàn)對(duì)DWIG在不同控制策略下的穩(wěn)壓效果進(jìn)行對(duì)比。此外，DWIG的運(yùn)行特性不僅反映了其在不同工況下的運(yùn)行性能，而且可對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。然而，目前僅有文獻(xiàn)［16］基于電磁設(shè)計(jì)方法對(duì)DWIG的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，但該方法忽略了控制繞組所接逆變器的損耗，并假設(shè)存在理想的控制策略使DWIG控制繞組能提供純無功功率，未考慮控制策略對(duì)DWIG運(yùn)行特性的影響。為尋求一種理想的控制策略，充分發(fā)揮DWIG的運(yùn)行性能，有必要對(duì)其在不同控制策略下的穩(wěn)壓效果與運(yùn)行特性進(jìn)行研究。

滯環(huán)電流控制策略HCCS（Hysteresis Current Control Strategy）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)難度小。但對(duì)于三相三線制系統(tǒng)，三相電流之間存在關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致其控制精度下降。對(duì)于直接功率控制策略DPCS（Direct Power Control Strategy）而言，瞬時(shí)功率計(jì)算準(zhǔn)確與否、磁場(chǎng)定向準(zhǔn)確與否以及開關(guān)表設(shè)計(jì)合理與否，均是關(guān)鍵難題，因此DPCS實(shí)現(xiàn)難度較大。但DPCS可削弱三相三線制系統(tǒng)三相之間的相互影響，且通過對(duì)開關(guān)表的優(yōu)化設(shè)計(jì)可提高控制精度?；诳臻g電壓矢量調(diào)制的PWM控制策略結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需同時(shí)調(diào)節(jié)4個(gè)PI參數(shù)，系統(tǒng)調(diào)試難度較大，但可解決HCCS與DPCS開關(guān)頻率不固定的問題，從而便于后級(jí)濾波器的設(shè)計(jì)。瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制策略主要應(yīng)用于DWIG帶交流負(fù)載發(fā)電系統(tǒng)。

針對(duì)文獻(xiàn)［11］基于兩狀態(tài)優(yōu)化開關(guān)表的DPCS的不足，從提高控制精度與延長(zhǎng)功率器件使用壽命的角度出發(fā)，本文提出基于三狀態(tài)優(yōu)化開關(guān)表的DPCS，即改進(jìn)的直接功率控制策略IDPCS（Improved Direct Power Control Strategy）。此外，由于不同控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，而現(xiàn)有文獻(xiàn)廣泛采用HCCS對(duì)DWIG帶整流橋負(fù)載發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)壓控制。因此，本文針對(duì)變速運(yùn)行的DWIG帶整流橋負(fù)載發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)其在HCCS與IDPCS下的穩(wěn)壓效果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行分析。

1 DWIG穩(wěn)壓控制策略

DWIG帶整流橋負(fù)載發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 DWIG系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of DWIG system

本系統(tǒng)的控制目標(biāo)為：在變速和變負(fù)載等不同運(yùn)行工況下，保持DWIG功率繞組側(cè)直流電壓UpDC與控制繞組側(cè)直流電壓UcDC的穩(wěn)定。但DWIG作為一種新型交流發(fā)電機(jī)，其穩(wěn)壓控制機(jī)理有別于傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)，為此有學(xué)者對(duì)其穩(wěn)壓控制機(jī)理進(jìn)行了分析［7，11］，得到如圖 2 所示的穩(wěn)壓控制機(jī)理框圖。

圖2 DWIG穩(wěn)壓控制機(jī)理Fig.2 Voltage stabilizing principle of DWIG

1.1 HCCS

由圖2可見，在控制繞組磁鏈?zhǔn)噶喀譪定向的情況下，通過對(duì)控制繞組電流α分量icα、β分量icβ的控制，可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)UpDC與UcDC的控制。據(jù)此，有學(xué)者提出適用于DWIG系統(tǒng)的HCCS，基本思想為：將控制繞組三相電壓、電流送入磁鏈觀測(cè)器，得定向角θs；由式（1）進(jìn)行兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換，得三相參考電流，并將其與三相電流實(shí)際值的差值送入兩狀態(tài)滯環(huán)比較器，得到靜止勵(lì)磁變換器 SEC（Static Excitation Converter）開關(guān)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的跟蹤控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)UpDC與UcDC的控制。

由此可得HCCS框圖，如圖3所示。

圖3 HCCS框圖Fig.3 Block diagram of HCCS

1.2 IDPCS

由圖2可見，在控制繞組磁鏈?zhǔn)噶喀譪定向的情況下，通過對(duì)控制繞組無功功率qc、有功功率pc的控制，可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)UpDC與UcDC的控制。據(jù)此，有學(xué)者提出適用于DWIG系統(tǒng)的DPCS，主要包括瞬時(shí)功率計(jì)算與優(yōu)化開關(guān)表。

本文采用式（2）計(jì)算控制繞組側(cè)瞬時(shí)功率：

其中分別為控制繞組側(cè)瞬時(shí)有功功率、無功功率計(jì)算值；ω1為同步角頻率；ψcα、ψcβ分別為控制繞組磁鏈α、β分量。

SEC共有8種開關(guān)狀態(tài)，其中000與111對(duì)應(yīng)零矢量，其余 6 種開關(guān)狀態(tài)（001，011，010，110，100，101）對(duì)應(yīng)非零矢量，即基本電壓矢量。為減小輸入電流諧波，將基本電壓矢量形成的空間劃分為12個(gè)扇區(qū)，見圖4（a）。規(guī)定逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，發(fā)電運(yùn)行時(shí)，ψc滯后轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?ψr的角度為 θcr，見圖 4（b）。

圖4 基本電壓矢量與磁鏈?zhǔn)噶縁ig.4 Basic voltage vector chart and flux linkage vector chart

根據(jù)調(diào)節(jié)ψc的幅值即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率、調(diào)節(jié)θcr的大小即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)有功功率的原則，并結(jié)合兩狀態(tài)功率滯環(huán)比較器的輸出與ψc所在扇區(qū)，設(shè)計(jì)了兩狀態(tài)優(yōu)化開關(guān)表，如表1所示［11］。

表1 兩狀態(tài)優(yōu)化開關(guān)表Table 1 Two-state optimal switching table

由于兩狀態(tài)功率滯環(huán)比較器的輸出僅當(dāng)參考值與實(shí)際值的差值大于滯環(huán)寬度時(shí)才改變，因此系統(tǒng)控制精度降低。此外，由表1可知，兩狀態(tài)優(yōu)化開關(guān)表未使用零電壓矢量，使SEC功率器件開關(guān)次數(shù)較多，導(dǎo)致其使用壽命縮短。針對(duì)上述問題，本文提出了基于三狀態(tài)優(yōu)化開關(guān)表的DPCS，即IDPCS。

定義為有功功率滯環(huán)的輸出，Hp為有功滯環(huán)寬度。

dp=1表示有功功率參考值大于實(shí)際值下一控制周期應(yīng)選擇使有功功率快速增加的電壓矢量；dp=0表示在允許的滯環(huán)寬度內(nèi)，下一控制周期應(yīng)選擇使有功功率變化不明顯的電壓矢量；dp=-1表示小于下一控制周期應(yīng)選擇使有功功率快速減小的電壓矢量。

定義為無功功率滯環(huán)的輸出，Hq為無功滯環(huán)寬度。

dq=1表示無功功率參考值大于實(shí)際值下一控制周期應(yīng)選擇使無功功率快速增加的電壓矢量；dq=0表示在允許的滯環(huán)寬度內(nèi)，下一控制周期應(yīng)選擇使無功功率變化不明顯的電壓矢量；dq=-1表示小于下一控制周期應(yīng)選擇使無功功率快速減小的電壓矢量。

根據(jù)上述思想，結(jié)合文獻(xiàn)［11］開關(guān)表的設(shè)計(jì)原則，本文設(shè)計(jì)了三狀態(tài)優(yōu)化開關(guān)表，如表2所示。

表2 三狀態(tài)優(yōu)化開關(guān)表Table 2 Three-state optimal switching table

由此可得IDPCS框圖，如圖5所示。

圖5 IDPCS框圖Fig.5 Block diagram of IDPCS

2 DWIG模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文搭建的DWIG仿真模型正確性，根據(jù)文獻(xiàn)［7］提供的DWIG參數(shù)，在相同的控制策略及仿真條件下，對(duì)DWIG系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。即采用HCCS，針對(duì)DWIG帶1%額定負(fù)載，在0～0.6s時(shí)段維持轉(zhuǎn)速為4000 r/min，在0.6s時(shí)轉(zhuǎn)速勻速提升至8000 r/min。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 建壓及變速情況下直流電壓Fig.6 DC voltage during voltage buildup and speed variation

圖7 建壓及變速情況下磁鏈Fig.7 Flux linkage during voltage buildup and speed variation

由圖6可見，當(dāng)DWIG系統(tǒng)在1%額定負(fù)載下，采用HCCS對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)，能實(shí)現(xiàn)建壓，且在變速情況下，能維持兩側(cè)直流電壓穩(wěn)定在各自的給定值，本文仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［7］仿真結(jié)果變化規(guī)律一致。但由于文獻(xiàn)［7］未給出相應(yīng)的控制參數(shù)，而本文仿真采用的控制參數(shù)經(jīng)調(diào)試所得，與文獻(xiàn)［7］不同，從而導(dǎo)致系統(tǒng)建壓所需時(shí)間及變速情況下穩(wěn)定到給定值所需時(shí)間不同。由圖7可見，本文磁鏈仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［7］仿真結(jié)果變化規(guī)律一致，且數(shù)值接近。同理，由于控制參數(shù)與文獻(xiàn)［7］不同，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)時(shí)間不同。

由此可見，本文仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［7］仿真結(jié)果變化規(guī)律一致，且穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，數(shù)值差異較小，從而間接驗(yàn)證了本文搭建的DWIG仿真模型的正確性。

3 DWIG穩(wěn)壓控制效果對(duì)比分析

本文采用如下參數(shù)對(duì)DWIG進(jìn)行仿真研究：功率繞組電阻Rp=0.28 Ω，控制繞組電阻Rc=0.47 Ω，轉(zhuǎn)子繞組等效電阻Rr=0.17 Ω，功率繞組漏感Lpσ=1.4 mH，控制繞組漏感Lcσ=2.7 mH，轉(zhuǎn)子繞組等效漏感Lrσ=3.6 mH，激磁電感Lm=64.5 mH，額定轉(zhuǎn)速nN=1500 r/min，變速范圍 1000～2000 r/min，額定功率PN=18.5 kW，勵(lì)磁電容C=150 μF，功率繞組側(cè)濾波電容 CL=2000 μF，控制繞組側(cè)濾波電容 Cs=2000 μF/700 μF，UpDC給定值為 540 V，UcDC給定值為 700 V。

HCCS與IDPCS各有優(yōu)缺點(diǎn)，為對(duì)兩者的穩(wěn)壓控制效果進(jìn)行對(duì)比分析，本文首先針對(duì)DWIG系統(tǒng)在建壓及在轉(zhuǎn)速變化、負(fù)載突變等運(yùn)行工況下，分別采用HCCS與IDPCS時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓控制效果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而對(duì)兩者的靜態(tài)穩(wěn)壓控制效果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓控制效果對(duì)比分析

動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓效果是評(píng)價(jià)控制策略動(dòng)態(tài)性能優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)節(jié)時(shí)間ts與電壓動(dòng)態(tài)最大波動(dòng)幅度Udmax是評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓效果的重要指標(biāo)，兩者分別表示系統(tǒng)運(yùn)行工況變化時(shí)電壓穩(wěn)定到給定值所需時(shí)間與電壓超出給定值的最大偏離量。

3.1.1 輕載建壓

設(shè)維持DWIG轉(zhuǎn)速為2000 r/min，對(duì)其帶1%額定負(fù)載進(jìn)行研究。采用先開環(huán)后閉環(huán)的方式，若UpDC低于120 V，則采用開環(huán)控制；否則切入閉環(huán)控制。仿真結(jié)果如圖8所示。由圖可見，無論采用HCCS還是IDPCS，DWIG系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)輕載建壓。此外，與IDPCS相比，采用HCCS可使DWIG兩側(cè)直流電壓的Udmax更小。而在2種控制策略下，ts差異較小。

圖8 輕載建壓Fig.8 Voltage buildup with light load

3.1.2 轉(zhuǎn)速變化

設(shè)DWIG帶半載運(yùn)行，在0～3 s轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，3 s時(shí)轉(zhuǎn)速勻速增加 250 r/min，以后每隔 1 s轉(zhuǎn)速勻速增加 250 r/min，直到 2000 r/min 為止。 仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可見，無論采用HCCS還是IDPCS，在轉(zhuǎn)速變化情況下，DWIG兩側(cè)直流電壓經(jīng)過短時(shí)振蕩后均能穩(wěn)定在各自的給定值。此外，與IDPCS相比，采用HCCS可使DWIG兩側(cè)直流電壓的Udmax更小，ts更短，尤其是UcDC。另一方面，由于隨轉(zhuǎn)速升高，SEC開關(guān)信號(hào)變化頻率增加，故無論采用何種控制策略，DWIG兩側(cè)直流電壓的Udmax與ts均逐漸減小，即隨轉(zhuǎn)速升高，兩者的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓控制效果逐漸改善。

圖9 轉(zhuǎn)速變化時(shí)直流電壓Fig.9 DC voltage during speed variation

3.1.3 負(fù)載突變

設(shè)維持轉(zhuǎn)速為1500 r/min，對(duì)DWIG系統(tǒng)突加、突卸15%額定負(fù)載進(jìn)行研究，仿真結(jié)果如圖10所示。由圖可見，無論采用HCCS還是IDPCS，在負(fù)載突變情況下，DWIG兩側(cè)直流電壓經(jīng)過短時(shí)振蕩后均能穩(wěn)定在各自的給定值。此外，與IDPCS相比，采用HCCS可使DWIG兩側(cè)直流電壓的Udmax更小，ts更短，尤其是UcDC。另一方面，由于突加負(fù)載時(shí)，負(fù)載電阻RL減小，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)τ=RLCL減小，故無論采用何種控制策略，與突卸負(fù)載相比，突加負(fù)載時(shí)，DWIG兩側(cè)直流電壓的ts更小。

圖10 負(fù)載突變時(shí)直流電壓Fig.10 DC voltage during sudden load change

綜上所述，HCCS的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓控制效果優(yōu)于IDPCS，且隨轉(zhuǎn)速升高，兩者的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓控制效果均逐漸改善。

3.2 靜態(tài)穩(wěn)壓控制效果對(duì)比分析

靜態(tài)穩(wěn)壓效果是評(píng)價(jià)控制策略靜態(tài)性能優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)。電壓靜態(tài)最大波動(dòng)幅度相對(duì)值σs是評(píng)價(jià)靜態(tài)穩(wěn)壓效果的重要指標(biāo)，本文定義其計(jì)算式為：

其中，Usmax為穩(wěn)定時(shí)電壓在給定值附近的最大偏離量；Uref為功率繞組側(cè)或控制繞組側(cè)電壓給定值。

不同轉(zhuǎn)速下，對(duì)DWIG系統(tǒng)滿載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)壓效果進(jìn)行研究，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 滿載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電壓波動(dòng)Fig.11 Voltage fluctuation during steady-state operation with rated load

由圖11可見，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，與IDPCS相比，采用HCCS可使DWIG兩側(cè)直流電壓的波動(dòng)更小，尤其是UcDC的波動(dòng)。此外，隨轉(zhuǎn)速升高，系統(tǒng)頻率增加，功率繞組側(cè)所接不可控整流橋功率器件開關(guān)頻率增加，故UpDC的波動(dòng)逐漸減小。另一方面，隨轉(zhuǎn)速升高，控制繞組電流的性質(zhì)由助磁變?yōu)槿ゴ?，其值先減小后增大，故UcDC的波動(dòng)先減小后增大。

綜上所述，HCCS的靜態(tài)穩(wěn)壓控制效果優(yōu)于IDPCS，且隨轉(zhuǎn)速升高，兩者的靜態(tài)穩(wěn)壓控制效果均有所改善。

4 DWIG運(yùn)行特性分析

為了深入研究變速運(yùn)行時(shí)DWIG的運(yùn)行特性，在文獻(xiàn)［16］研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文對(duì)其空載調(diào)節(jié)特性、負(fù)載調(diào)節(jié)特性及效率特性進(jìn)行研究。

4.1 空載調(diào)節(jié)特性

空載運(yùn)行時(shí)，DWIG系統(tǒng)功率繞組側(cè)勵(lì)磁電容產(chǎn)生的無功功率隨轉(zhuǎn)速升高而增加。為使DWIG在不同轉(zhuǎn)速下順利建壓并維持穩(wěn)定，需控制繞組側(cè)所接SEC對(duì)系統(tǒng)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。因此，有必要對(duì)DWIG的空載調(diào)節(jié)特性進(jìn)行研究。本文定義DWIG的空載調(diào)節(jié)特性為：在空載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，維持功率繞組額定電壓不變，控制繞組電流Ic與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，即 Ic=f（n）。

若控制繞組側(cè)提供無功功率，即Ic為助磁性，則本文假設(shè)其值為正；若控制繞組側(cè)吸收無功功率，即Ic為去磁性，則其值為負(fù)。仿真結(jié)果表明，DWIG的空載調(diào)節(jié)特性如圖12所示。由圖可見，無論采用HCCS還是IDPCS，DWIG空載調(diào)節(jié)特性的變化規(guī)律一致，即隨轉(zhuǎn)速升高，Ic的性質(zhì)由助磁變?yōu)槿ゴ?，且?shù)值接近。在空載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，DWIG功率繞組電壓不變，故功率繞組側(cè)產(chǎn)生的無功功率正比于定子頻率f1。在低速區(qū)，f1較小，功率繞組側(cè)產(chǎn)生的無功功率小于系統(tǒng)所需無功功率，為保持電壓穩(wěn)定，需控制繞組側(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)所需無功功率，故Ic為助磁性。在高速區(qū)，f1較大，功率繞組側(cè)產(chǎn)生的無功功率大于系統(tǒng)所需無功功率，為保持電壓穩(wěn)定，需控制繞組側(cè)吸收系統(tǒng)多余無功功率，故Ic為去磁性。

圖12 空載調(diào)節(jié)特性Fig.12 No-load regulation characteristic

4.2 負(fù)載調(diào)節(jié)特性

保持DWIG轉(zhuǎn)速一定，在不同負(fù)載運(yùn)行工況下，為維持其兩側(cè)直流電壓穩(wěn)定，需控制繞組側(cè)所接SEC對(duì)系統(tǒng)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。因此，有必要研究DWIG的負(fù)載調(diào)節(jié)特性。本文定義DWIG的負(fù)載調(diào)節(jié)特性為：在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，維持功率繞組額定電壓不變，控制繞組電流Ic與負(fù)載電流IL之間的關(guān)系，即Ic=f（IL）。

仿真結(jié)果表明，DWIG的負(fù)載調(diào)節(jié)特性如圖13所示。由圖可見，無論采用HCCS還是IDPCS，DWIG負(fù)載調(diào)節(jié)特性的變化規(guī)律一致，即在轉(zhuǎn)速一定的情況下，Ic的助磁性隨負(fù)載增加而增強(qiáng)；在負(fù)載一定的情況下，Ic的去磁性隨轉(zhuǎn)速升高而增強(qiáng)。此外，轉(zhuǎn)速與負(fù)載一定時(shí)，在2種控制策略下，Ic的值接近。

圖13 負(fù)載調(diào)節(jié)特性Fig.13 Load regulation characteristic

在轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨負(fù)載增加，f1減小，則功率繞組側(cè)產(chǎn)生的無功功率減小。為維持電壓穩(wěn)定，需控制繞組側(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)所需無功功率，故Ic的助磁性增強(qiáng)。在負(fù)載大小一定的情況下，隨轉(zhuǎn)速升高，f1增加，則功率繞組側(cè)產(chǎn)生的無功功率增加。為維持電壓穩(wěn)定，需控制繞組側(cè)吸收系統(tǒng)多余無功功率，故Ic的去磁性增強(qiáng)。

4.3 效率特性

本文定義DWIG的效率特性為：在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，維持功率繞組額定電壓不變，效率η與輸出功率P2之間的關(guān)系，即η=f（P2）。在忽略機(jī)械損耗的情況下，DWIG的輸入功率P1等于電磁功率，即電磁轉(zhuǎn)矩Te與機(jī)械角速度Ω的乘積，而輸出功率P2等于UpDC與IL的乘積。因此，效率η按式（6）計(jì)算。

仿真結(jié)果表明，DWIG效率特性如圖14所示（P2為標(biāo)幺值）。由圖可見，無論采用HCCS還是IDPCS，DWIG效率特性的變化規(guī)律一致，即在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，DWIG效率隨負(fù)載增加先增加后減小，在半載附近達(dá)最大值，其變化規(guī)律與文獻(xiàn)［16］基于電磁設(shè)計(jì)方法所得效率特性一致，從而間接驗(yàn)證了本文仿真結(jié)果的正確性。 對(duì)比圖 14（a）、圖 14（b）可知，與 HCCS相比，在轉(zhuǎn)速與負(fù)載一定的情況下，采用IDPCS時(shí)DWIG系統(tǒng)的效率更高，尤其在高速情況下。

圖14 效率特性Fig.14 Efficiency characteristic

在不同控制策略下，轉(zhuǎn)速及負(fù)載一定時(shí)，由圖13可見，Ic近似相等。此外，功率繞組基波電流Ip及轉(zhuǎn)子繞組基波電流Ir近似相等。由此可知，DWIG功率繞組、控制繞組及轉(zhuǎn)子繞組基波銅耗近似相等。在忽略鐵耗的情況下，影響DWIG系統(tǒng)效率的主要為諧波銅耗。由于在不同控制策略下，僅在高速運(yùn)行時(shí)DWIG系統(tǒng)的效率差異較大，故下面對(duì)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)的DWIG定子繞組電流進(jìn)行FFT分析，結(jié)果如圖15所示（P2為標(biāo)幺值）。由圖可見，與HCCS相比，采用IDPCS時(shí)定子電流諧波含量更小，則轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的諧波電流更小，即采用IDPCS可使DWIG諧波銅耗更小。由此可見，采用IDPCS時(shí)DWIG系統(tǒng)的效率更高。

圖15 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)定子電流諧波含量Fig.15 THD of stator current during steady-state operation

5 結(jié)論

本文針對(duì)DWIG帶整流橋負(fù)載發(fā)電系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下，采用HCCS與IDPCS時(shí)的穩(wěn)壓控制效果與運(yùn)行特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到以下結(jié)論：

a.無論采用 HCCS還是IDPCS，DWIG系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)輕載建壓，且在轉(zhuǎn)速變化、負(fù)載突變等工況下，均能維持UpDC在給定值540 V、UcDC在給定值700 V；

b.對(duì)DWIG系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，HCCS的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)穩(wěn)壓控制效果均優(yōu)于IDPCS，且隨轉(zhuǎn)速升高，兩者的穩(wěn)壓控制效果均逐漸改善；

c.無論采用HCCS還是IDPCS，DWIG系統(tǒng)的空載調(diào)節(jié)特性、負(fù)載調(diào)節(jié)特性及效率特性的變化規(guī)律一致；

d.在轉(zhuǎn)速與負(fù)載一定的情況下，與HCCS相比，采用IDPCS時(shí)DWIG系統(tǒng)的效率更高，尤其在高速情況下。

鑒于研究條件的限制，目前尚未進(jìn)行樣機(jī)實(shí)測(cè)。今后的工作將爭(zhēng)取獲得樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證仿真模型與計(jì)算結(jié)果的正確性。

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