帶整流橋負載的雙繞組異步發電機勵磁控制方法研究

摘要：針對雙繞組異步發電機所帶不可控整流橋直流側電壓的穩定問題，提出了一種在控制繞組側補償異步發電機所需無功勵磁電流的新方法。該方法通過鎖相環（PLL）檢測出控制繞組中基波電壓相位并超前90°作為實際應補償的勵磁無功電流的相位，再根據檢測出的功率繞組整流橋直流側的實際電壓與參考電壓作比較后，經PI調節確定靜止無功發生器（SVG）發出的勵磁電流的幅值大小，實現在負載變化時，對控制繞組中所需的勵磁電流的大小和頻率進行連續調節，達到穩定直流側電壓的目的。并用實驗和仿真試驗驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：雙繞組異步發電機；鎖相環；靜止無功發生器

1??? 引言

在船舶電站中需要用到的高質量直流電，是由交流發電機發出的交流電通過整流得到。目前，在船舶電站中，廣泛應用的為同步電機發電系統，若采用異步電機發電系統整流得到直流電，與同步發電機相比，具有功率密度高，結構簡單，機械強度高，制造成本低，維護方便等突出的優點。但感應電機作為發電機單機運行時，必須依靠轉子剩磁，通過在感應電機定子端并聯適當的電容器自勵建壓，在加負載時，引起發電機的端電壓下降，端電壓的降低，導致了勵磁的容性電流減小，使端電壓進一步下降，因此，異步發電機在突加負載時端電壓會下降很快，在突加重載時可能導致電壓的崩潰。在感應發電機中，要穩定端電壓，就必須對容性勵磁電流加以控制，但異步機不同于同步機，它的容性勵磁電流和產生功率的有功電流是耦合在一起的，這給控制帶來了困難。本文針對帶整流橋負載的雙繞組異步發電機提出了穩定整流橋直流側電壓的一種勵磁控制方法。

2??? 勵磁控制系統的結構

??? 在本文所提的雙繞組發電機中，有兩套三相定子繞組，一套繞組對負載提供功率，稱為功率繞組，另一套接靜止無功發生器（SVG）來補償功率繞組所并電容器產生的容性無功勵磁電流的變化，稱為控制繞組。由于共用同一個磁場，在兩套繞組中，感應出的電動勢的頻率是相同的，當負載發生變化時由于所需的電磁轉矩不同，轉差率必然發生改變，發出的交流電的頻率也發生變化，經過過渡過程穩定后，對于一個確定的輸出功率必然對應一個確定的頻率。因此本文所提的控制思路為：檢測控制繞組中基波電壓的頻率作為應補償的勵磁電流的頻率，將功率繞組整流側的實際電壓和參考電壓作比較后，經PI調節后確定SVG發出的勵磁電流的幅值大小，這樣就可以實現在負載變化時，對控制繞組中所需的勵磁電流的大小和頻率進行連續調節，達到穩定直流側電壓的目的，并獲得好的動態響應過程。

??? 整個控制方案如圖1所示，具體控制過程如下文所述。

圖1??? 異步發電系統結構框圖

??? 在圖1中設畸變的控制繞組端電壓為

??? ??? (1)

式中：E_n,θ_n為各次電壓有效值和初相角，其中θ₁=0。

2.1??? 產生所需的參考勵磁補償電流i^＊_c1的指令

??? 電路采用鎖相環（PLL）實時跟蹤控制繞組側相電壓e_ca的基波相位ωt,通過將其相位超前π/2，得到所需的勵磁無功相位；把整流橋直流側的實際電壓u_dc與參考指定電壓udc＊作比較后經PI調節得到所需勵磁電流的幅值I_m,這樣就確定了參考勵磁補償電流i^＊_c1的相位和幅值，也就確定了。

??? ??? （2）

2.2??? 靜止無功發生器直流側電容電壓U_c的穩定

??? 要使SVG能正常地工作，就必須維持SVG直流側電容上工作電壓的穩定。根據三相電路的瞬時無功理論可知，a，b，c三相的瞬時有功功率分別為

??? ??? （3）

式中：

??? ??? （4）

由式（3）及式（4）得

??????? p_a＋p_b＋p_c=p；q_a＋q_b＋q_c=0??? （5）

??? 由以上分析可知，各相的瞬時無功功率之和為0，但在單獨觀察某一相時，其瞬時無功功率不為0，這表明各相瞬時無功功率只是在三相之間交換，其交換的強度由q表征，因此，對于SVG而言，瞬時無功功率不會導致交流側和直流側之間的能量交換。考慮到直流側電路的損耗，不對電容器的電壓加以控制的話，電容器上的工作電壓就不能維持，就必須引入適當的有功電流讓交流和直流側交換一定的能量。在本文提及的控制方案中，采用電容器上電壓的實際值u_c與參考值u_c^＊作比較后，經PI調節得到所需的有功電流的幅值i_p，通過PLL實時跟蹤e_ca的基波相位ωt,得到控制直流側電容電壓穩定所需的有功電流相位，這樣通過確定其相位和幅值就確定了控制SVG直流側電容電壓的指令電流信號。

??? ??? （6）

2.3??? 控制SVG的PWM信號的形成

??? 在圖1中SVG需要產生電流的參考信號i^＊_c為

??? i^＊_c=i_＊c1＋i^＊_uc??? （7）

把i^＊_c和實測的i_c信號通過電流跟蹤控制電路產生PWM信號，再讓PWM信號經過驅動電路控制SVG中主電路的工作。

??? ??? （8）

3??? 穩態實驗結果及仿真試驗結果

3.1??? 雙繞組異步發電系統參數

??? 發電機空載特性如圖2所示。

圖2??? 發電機空載特生

??? 在仿真試驗中，電機模型的建立采用圖2所示的發電機空載曲線，兩套繞組錯開90°，并折算成具有相同的參數。

??? 原動機轉速n=1500r/min；

??? 發電機極對數p=2；

??? 定子電阻R₁=0.665Ω；

??? 轉子折算到定子側電阻R₂=0.374Ω；

??? 定子漏感L₁₁=9mH；

??? 轉子折算到定子側漏感L₁₂=9mH；

??? 整流橋直流側參考電壓U^＊_dc=500V；

??? SVG電容電流參考值U^＊_c=700V；

??? 自勵電容C=100μF；

??? SVG直流側電容C_c=100μF；

??? 連接SVG和控制繞組之間的工作電感L_s=10mH。

3.2??? 穩態時的實驗結果與仿真結果

??? 圖3表示了穩態時整流橋直流側電壓與電流的仿真和實驗的對比曲線;圖4表示了穩態時發電機交流側基波頻率與整流橋直流側電流的仿真和實驗對比曲線。從圖3與圖4可以看到實驗曲線和仿真曲線很吻合，這就驗證了所建仿真模型的穩態正確性。

圖3??? 整流橋負載特性圖

圖4??? 直流電流與系統頻率關系圖

3.3??? 對發電機不加控制時的加載和卸載仿真波形

3.3.1??? 整流橋直流側突加和突卸40Ω負載

??? 對發電機不加控制時，從圖5與圖6可以看出在3.5s時突加40Ω負載，交流側電壓基波頻率下降，整流橋直流側電壓下掉約20V，當在7s時卸載，頻率能恢復，電壓能在超調約50V恢復。

圖5??? PLL跟蹤的交流側電壓基波頻率輸出

圖6整流橋直流側電壓

3.3.2??? 整流橋直流側突加和突卸20Ω負載

??? 對發電機不加控制時，從圖7與圖8可以看出在3.5s時突加20Ω負載，交流側電壓基波頻率下降，整流橋直流側電壓下掉約170V,當在7s時卸載，頻率能恢復，電壓雖然能恢復，但恢復時間較長。

圖7??? PLL跟蹤的交流側電壓基波頻率輸出

圖8??? 整流橋直流側電壓

3.4??? 對發電機采用SVG補償容性勵磁無功的加載和卸載仿真波形

??? 對發電機控制繞組采用SVG補償容性勵磁無功電流，在整流橋直流側突加和突卸負載時，從圖9到圖14可以看出，整流橋直流側電壓對負載的大小不敏感，對于突加和突卸40Ω和20Ω負載，都能經過一個較短的過渡時間后保持直流電壓的穩定；PLL跟蹤的交流側電壓基波頻率隨著負載的改變而改變，進入穩定后，40Ω和20Ω是分別對應了一個確定的頻率；SVG直流側電容除了在電容充電階段有一個過沖外，以后都能穩定在指定的700V附近。

圖9??? PLL跟蹤的交流側電壓基波頻率輸出（突加與突卸40Ω負載）

圖10??? PLL跟蹤的交流側電壓基波頻率輸出（突加與突卸20Ω負載）

圖11??? 整流橋直流側電壓（突加與突卸40Ω負載）

圖12??? 整流橋直流側電壓（突加與突卸20Ω負載）

圖13??? SVG直流側電容電壓（突加與突卸40Ω負載）

圖14??? SVG直流側電容電壓（突加與突卸20Ω負載）

4??? 結語

??? 從以上的實驗和仿真結果可以看出，本文提出的采用PLL跟蹤基波頻率，帶SVG的勵磁控制方案對于帶整流橋負載的雙繞組異步發電機有很好的動態和穩態性能，有進一步進行研究的價值。這種勵磁方法雖然只針對帶整流橋負載的直流電壓的穩定問題進行了研究，也可推廣到其它負載。