基于不同電機(jī)拓?fù)涞拇幂S帶發(fā)電系統(tǒng)比較

常國(guó)梅，徐清華，邵詩逸，武治江，烏云翔，郭 偉

(無錫賽思億電氣科技有限公司，無錫 214028)

0 引 言

在傳統(tǒng)船舶推進(jìn)系統(tǒng)中，除了負(fù)責(zé)船舶推進(jìn)的主機(jī)之外，通常使用另一臺(tái)定速運(yùn)行的柴油輔機(jī)連接發(fā)電機(jī)為船舶電站提供電能。

近年來，作為對(duì)輔機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的補(bǔ)充和替代，出現(xiàn)了一種軸帶發(fā)電的概念[1]。具體地說，是通過齒輪箱將一臺(tái)發(fā)電機(jī)連接在主機(jī)軸上，主機(jī)軸開始工作后便可以同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而進(jìn)行發(fā)電。與傳統(tǒng)方案相比，軸帶發(fā)電減少了船舶輔機(jī)開機(jī)啟動(dòng)次數(shù)，降低了使用維護(hù)成本，并且提高了主機(jī)效率，有效降低了油耗[2-3]。目前，該方案很適合螺旋槳轉(zhuǎn)速恒定的可調(diào)槳系統(tǒng)，并且已經(jīng)在不少實(shí)船中得到了應(yīng)用，如中國(guó)第一艘專為深淵海溝科考設(shè)計(jì)的萬米級(jí)載人深淵科考母船“張謇號(hào)”就采用了軸帶發(fā)電機(jī)，并取得了顯著的節(jié)能效果[4]。軸帶發(fā)電方案本質(zhì)上屬于恒定的轉(zhuǎn)速下輸出恒定的頻率，因此稱為“恒速恒頻”方案[5-6]。如果要在主機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)刻變化的定矩槳系統(tǒng)中使用，需要對(duì)主機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速提出很大的限制，所以沒有被廣泛接受，這在很大程度上限制了軸帶發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

此外，考慮到定矩槳系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的輸出頻率也會(huì)發(fā)生變化，因此需要在發(fā)電機(jī)和電站之間連接額外的變頻器[7]，使得無論發(fā)電機(jī)的頻率如何變化，變頻器都輸出恒定的電壓，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也稱為“變速恒頻”方案。變頻器采用的是四象限的變頻器，即有源交-直-交結(jié)構(gòu)，兩個(gè)交流端子分別連接發(fā)電機(jī)(也稱“機(jī)側(cè)”)和電站(也稱“網(wǎng)側(cè)”)，分別實(shí)施對(duì)于發(fā)電機(jī)和電站的控制， 即使變頻器整流側(cè)的輸入頻率和電壓發(fā)生變化，變頻器輸出端的頻率和電壓都是恒定的[3]。

目前，無論在學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界，主要考慮將三種類型的電機(jī)用于變速恒頻系統(tǒng)中，這三種電機(jī)分別是無刷同步電機(jī)、異步電機(jī)和無刷雙饋電機(jī)。它們的發(fā)電原理各不相同，導(dǎo)致了整個(gè)電氣系統(tǒng)和控制方案呈現(xiàn)出了比較大的區(qū)別。

本文分別就基于這三種電機(jī)的方案進(jìn)行原理分析和性能比較，并且著重在控制方案和控制算法層面進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)討論，旨在比較這些方案的主要優(yōu)缺點(diǎn)，最后通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)上述三個(gè)方案的電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制算法的驗(yàn)證。

1 變速恒頻軸帶發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)述

一個(gè)典型的變速恒頻軸帶發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，其核心是發(fā)電機(jī)和變頻器的組合。發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)將螺旋槳多余的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，變頻器負(fù)責(zé)將發(fā)電機(jī)頻率和電壓變化的電能轉(zhuǎn)化成頻率和電壓固定的輸出，通過濾波器濾波后提供給船用負(fù)載供電。如果采用不同的發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)的拓?fù)鋾?huì)有一些變化，下面將對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖1 軸帶發(fā)電系統(tǒng)框圖

2 三種不同發(fā)電機(jī)拓?fù)涞姆治龊捅容^

2.1 無刷同步發(fā)電機(jī)

2.1.1 基本介紹

同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。無刷同步發(fā)電機(jī)內(nèi)置勵(lì)磁機(jī)，可以通過外部的電壓調(diào)節(jié)電路板(AVR)對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。該方案的最大優(yōu)勢(shì)在于無刷同步發(fā)電機(jī)已經(jīng)被船舶行業(yè)廣泛地接受和認(rèn)同，其技術(shù)兼容性好，使得大部分柴油發(fā)電機(jī)幾乎不需要做改動(dòng)，就可以應(yīng)用成為軸帶發(fā)電機(jī)。

圖2 同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)框圖

由于無刷同步發(fā)電機(jī)通常不會(huì)采用絕緣加強(qiáng)的繞組，因此在一般情況下變頻器需要連接一個(gè)正弦波濾波器[8]。除此之外，采用無刷同步發(fā)電機(jī)最大的挑戰(zhàn)和限制在于：

(a) 當(dāng)主機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍較寬時(shí)，需要定制AVR，保證在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒定的輸出電壓。即便如此，當(dāng)發(fā)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)仍然輸出額定電壓，需要在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮磁場(chǎng)飽和，以及為了減緩磁飽和所導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)體積和質(zhì)量可能增加的問題。

(b) 如果主機(jī)發(fā)生故障，無刷同步發(fā)電機(jī)在靜止條件下無法通過勵(lì)磁機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁，因此不具備自起動(dòng)功能，所以電動(dòng)運(yùn)行的功能無法實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 控制系統(tǒng)

同步發(fā)電機(jī)的控制類似電網(wǎng)的并網(wǎng)控制，與傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變頻器的控制算法相似，將同步軸帶發(fā)電機(jī)看成頻率變化的電網(wǎng)，其本質(zhì)是通過控制輸入電抗器兩端的電壓差實(shí)現(xiàn)功率的控制。忽略定子電阻的影響，同步電機(jī)的電壓方程如下：

(1)

(2)

式中：vsd,vsq是同步發(fā)電機(jī)的端電壓；vd,vq是變頻器的輸出電壓；id,iq是變頻器的輸出電流；ωs是同步發(fā)電機(jī)的角頻率。

矢量控制的關(guān)鍵在于同步角度θs的選取，本文選擇θs使得電網(wǎng)矢量定向在d軸上，即vsq=0。該矢量角度θs通過對(duì)于三相電網(wǎng)電壓鎖相獲得[5]。

同步發(fā)電機(jī)的有功功率P的公式如下：

(3)

因此，可以通過對(duì)d軸電流id的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)于直流母線電壓的管理。一個(gè)基本的控制框圖如圖3所示。在控制上，需要注意的是矢量控制算法需要足夠快，以至于在控制時(shí)間常數(shù)上不會(huì)和AVR形成互相擾動(dòng)，導(dǎo)致控制系統(tǒng)發(fā)散。

圖3 同步發(fā)電機(jī)矢量控制框圖

2.2 異步發(fā)電機(jī)

2.2.1 基本介紹

異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖4所示。異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，技術(shù)相對(duì)成熟。異步電機(jī)的軸帶發(fā)電本質(zhì)上可以認(rèn)為是異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的逆過程，即異步電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下，因此，異步軸帶發(fā)電機(jī)技術(shù)成熟度很高。

圖4異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)框圖

相對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用鼠籠結(jié)構(gòu)，可以承受更高的溫度和更惡劣的環(huán)境，可靠性更高。

此外，由于異步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁由變頻器提供，而不需要類似AVR這樣的勵(lì)磁設(shè)備，因此異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速適應(yīng)范圍更寬，而且可以在零轉(zhuǎn)速下起動(dòng)，很適合在電動(dòng)運(yùn)行等應(yīng)急工況下使用。而采用異步發(fā)電機(jī)最大的限制是勵(lì)磁需要由變頻器提供，即變頻器必須先完成預(yù)充電，所以在全船失電等特殊情況導(dǎo)致變頻器失電時(shí)，異步發(fā)電機(jī)需要設(shè)置專門的變頻器預(yù)充回路，以實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的勵(lì)磁。

2.2.2 控制系統(tǒng)

異步電機(jī)的基本公式[9]：

(4)

(5)

ψs=Lsis+Lmir

(6)

ψr=Lrir+Lmis

(7)

式中：ωsl是異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率，定義：

ωsl=ωs-pωθ

(8)

通過上述方程組可以推導(dǎo)出異步發(fā)電機(jī)的控制器。一般來說，采用基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制算法[10]，可以得到異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式：

(9)

控制上需要保證d軸的定子電流isd恒定，以維持整個(gè)異步發(fā)電機(jī)的磁鏈，轉(zhuǎn)矩可以通過異步發(fā)電機(jī)的q軸定子電流isq來控制。這樣就形成了有功和無功的解耦控制。

在軸帶發(fā)電系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩或者有功功率可以用來管理直流母線電壓，整體的控制框圖如圖5所示。

圖5 異步發(fā)電機(jī)矢量控制框圖

2.3 無刷雙饋發(fā)電機(jī)

2.3.1 基本介紹

無刷雙饋發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖6所示。無刷雙饋發(fā)電機(jī)是一種比較新穎的電機(jī)，具有兩個(gè)獨(dú)立的定子繞組，這兩個(gè)繞組分別是與電網(wǎng)相連接的功率繞組(PW)和與變頻器相連接的控制繞組(CW)[1]。雖然這兩個(gè)三相繞組都繞在定子鐵心上，但它們的極對(duì)數(shù)組合均采用特殊的設(shè)計(jì)，磁場(chǎng)沒有直接耦合[11]，而是通過一個(gè)特殊的轉(zhuǎn)子繞組實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的間接耦合，以實(shí)現(xiàn)功率的交互。

圖6 無刷雙饋發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)圖

無刷雙饋電機(jī)作為軸帶發(fā)電系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于其控制繞組僅吸收滑差功率，所以只需要使用部分功率變頻器即可。變頻器的功率與電機(jī)調(diào)速范圍密切相關(guān)[12]。軸帶發(fā)電系統(tǒng)僅要求發(fā)電機(jī)在一個(gè)固定的范圍之內(nèi)運(yùn)行，所以基于無刷雙饋發(fā)電機(jī)的軸帶發(fā)電系統(tǒng)可以大大降低變頻器的功率以及相應(yīng)的成本。

然而，無刷雙饋發(fā)電機(jī)在技術(shù)上還有如下的一系列問題需要考慮和克服。

(1) 基于無刷雙饋發(fā)電機(jī)的矢量控制雖然已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于受制于功率繞組和控制繞組之間的解耦能力較弱，因此總體動(dòng)態(tài)特性較差；

(2) 無刷雙饋電機(jī)的兩組定子繞組的極對(duì)數(shù)設(shè)計(jì)，由于需要考慮兩個(gè)定子磁場(chǎng)的解耦，必須遵循一定的規(guī)范[11]，因此設(shè)計(jì)靈活性較差。考慮到無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由兩個(gè)繞組的極對(duì)數(shù)之和決定的[12]，所以無刷雙饋電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇受到比較多的設(shè)計(jì)上的限制；

(3) 無刷雙饋電機(jī)本質(zhì)上采用感應(yīng)的原理，因此在零轉(zhuǎn)速時(shí)也無法勵(lì)磁，在全船失電時(shí)需要考慮額外的勵(lì)磁回路，也無法做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

2.3.2 控制系統(tǒng)

無刷雙饋發(fā)電機(jī)的主要方程組需要同時(shí)考慮兩個(gè)定子繞組和一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組，相對(duì)于同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)明顯要復(fù)雜，方程組的數(shù)量明顯增加，公式為：

(10)

ψ1=L1i1+L1rir

(11)

(12)

ψ2=L2i2+L2rir

(13)

(14)

ψr=Lrir+L1ri1+L2ri2

(15)

無刷雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式如下：

(16)

文獻(xiàn)[13]詳細(xì)分析了無刷雙饋發(fā)電機(jī)矢量控制的原理，本質(zhì)上是通過對(duì)控制繞組的電流控制，間接控制功率繞組的電流，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)矩的控制,控制框圖如圖7所示。需要注意的是控制繞組和功率繞組的d軸和q軸無法充分實(shí)現(xiàn)解耦控制，需要通過PI控制器進(jìn)行補(bǔ)償，這樣造成了無刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。

圖7 無刷雙饋發(fā)電機(jī)矢量控制框圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證上述基于三種不同電機(jī)的軸帶發(fā)電系統(tǒng)的控制方案，并且比較它們的控制指標(biāo)的區(qū)別，建立了一個(gè)電機(jī)對(duì)拖原理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，用于驗(yàn)證控制性能，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。

圖8 電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)臺(tái)

該平臺(tái)中的原動(dòng)機(jī)采用一個(gè)250 kW的異步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，分別進(jìn)行三種被試電機(jī)的實(shí)驗(yàn)，這三種發(fā)電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1 三種不同電機(jī)參數(shù)

變頻器的輸出連接到四個(gè)電阻箱，最大可以提供60 kW負(fù)載，為整個(gè)軸帶系統(tǒng)提供負(fù)載輸出。為了實(shí)現(xiàn)最為苛刻的性能考察，本實(shí)驗(yàn)主要通過負(fù)載開關(guān)的投切來考察瞬態(tài)負(fù)載變化對(duì)于軸帶發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定特性和動(dòng)態(tài)特性的影響。被試變頻器中的網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)是完全相同的硬件，通常稱為背靠背結(jié)構(gòu)。控制器采用x86 Celeron 650 MHz CPU的控制器，滿足0.4 ms的控制回路的刷新時(shí)間，產(chǎn)生2.5 kHz的PWM信號(hào)。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2.1 同步發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9給出了采用同步發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min下突加負(fù)載的數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中，負(fù)載突加90 kW，即同步發(fā)電機(jī)額定功率的75%。由圖9(a)可以看到，電網(wǎng)電壓產(chǎn)生了一個(gè)瞬間大約20 V(5%)的跌落，然后迅速回復(fù)正常。有功電流iq的數(shù)據(jù)參見圖9(b)，電流追蹤的動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常令人滿意。直流母線電壓如圖9(c)所示，控制在650 V左右，也比較穩(wěn)定，幾乎沒有產(chǎn)生很大的波動(dòng)。因此，采用同步發(fā)電機(jī)作為軸帶發(fā)電系統(tǒng)，無論是穩(wěn)定性，還是動(dòng)態(tài)特性，都是令人滿意的。

(a) 輸出交流電壓有效值

(b) 定子有功電流iq

(c) 直流母線電壓

3.2.2 異步發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10給出了采用異步發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min下突加負(fù)載數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中，突加負(fù)載100 kW，即異步發(fā)電機(jī)額定功率的67%。從圖10可以看出，采用異步發(fā)電機(jī)可以獲得和同步發(fā)電機(jī)軸帶系統(tǒng)很類似的性能，無論是輸出電壓波動(dòng)、直流母線波動(dòng)，還是電流控制[11]，都可以達(dá)到指標(biāo)需求。

(a) 輸出交流電壓有效值

(b) 定子有功電流i2q

(c) 直流母線電壓

3.2.3 無刷雙饋發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖11給出了采用無刷雙饋發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速600 r/min下突加負(fù)載的數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中，突加負(fù)載15 kW，即無刷雙饋發(fā)電機(jī)額定功率的17%?？梢钥吹剑陔妷翰▌?dòng)上，電壓瞬間降低了約11%。無刷雙饋的電壓/功率控制最終是通過對(duì)于控制繞組的電流控制來實(shí)現(xiàn)的；在電機(jī)控制繞組有功電流i2q的控制上，雖然測(cè)量值仍然可以跟蹤，但是動(dòng)態(tài)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)，這是因?yàn)闊o刷雙饋電機(jī)的控制繞組和功率繞組在d和q軸的坐標(biāo)系之間具有較強(qiáng)的耦合性，需要通過PI控制器慢慢補(bǔ)償，正因?yàn)榭刂评@組和功率繞組本身也有耦合性，所以直流母線電壓波動(dòng)較大。如果負(fù)載出現(xiàn)更大容量的擾動(dòng)，整個(gè)控制系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定。

(a) 輸出交流電壓即功率繞組電壓

(c) 直流母線電壓

4 結(jié) 語

本文分析了無刷同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)和無刷雙饋發(fā)電機(jī)作為軸帶發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，并對(duì)這三種發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)做出了比較，如表2所示。從控制特性來說，采用同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)可以達(dá)到比較好的控制性能，使用無刷雙饋發(fā)電機(jī)作為軸帶發(fā)電機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，但是控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。

表2 三種發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較