笼型异步发电机的电力电子控制技术

  1异步电机一电力电子变换器发电系统的应用背景与同步电机、直流电机、绕线式异步电机相比，笼型异步电机具有结构简单、坚固、价廉、维护方便和功率密度高等突出优点。异步电机作为可逆电机，能用于发电场合，并在电网中的异步电机从电网吸收感性无功来励磁，超同步运转时则处于发电状态。本文介绍的独立供电发电运行的笼型异步发电机，以前通常采用在电机输出端并电容器的方法来实现励磁，但当原动机转速变化或负载阻抗改变时，则难以维持电压与频率的恒定。这些缺点使异步电机作发电机运行应用并不普通。

  近年来由于对再生能源利用的重视，风力发电、小水力发电、潮汐发电等得到了较大的发展。笼型异步电机由于其突出的优点，艮适合应用于再生能源的发电系统中，越来越受到人们的重视。应用异步发电机发电，关键是解决调压调频问题。在80年代前主要是非电力电子的解决方法见诸报端，自80年代后期以来由于电力电子技术得到了飞速的发展，采用电力电子技术去控制异步发电机，解决调压调频问题成为可能。90年代以来己有不少基于笼型异步发电机一电力电子变换器发电系统的与专利报道，也主要是应用在风力、小水力发电上。

  目前，由于全电飞机、全电坦克概念的提出，飞机、坦克的电气电子设备多，用电剧，提出了装备起动/发电双功能电源系统的要求。在发电前可作电动运行，起动引擎，在引擎运转后，再转为发电状态，这种新型电源系统**深入全面研究的价值。在采用电力电子装置与异步电机结合构成的起动/发电系统中，必须能双向控制传递能量，发电与电动分别采用不同的控制策略。电动控制技术己比较成熟，关键是发电运行的控制。高速飞轮储能系统也是目前的研究热点，其能量的存储与释放必须通过电机完成，实际上是一种电动/发电系统，采用异步电机则具有强的竞争力。

 

  异步发电机一电力电子变换器发电系统根据电机、变换器和负载的连接关系一般可分为两类，一类是变换器、异步发电机与负载三者之间并联，负载直接从电机的输出端得到电能，变换器提供异步发电机所需的无功。另一类为异步发电机、变换器和负载串联，发电机发出的电能全部经变换器传递至负载，变换器对异步发电机的有功、无功均可加以控制。这两类连接各有特点，有其各自的适宜场合。并联型的变换器主要用于提供无功，因而容量小，可直接从发电机输出交流电，不需逆变器，系统运行效率高，但不适合原动机转速变化范围较大的场合。而串联型适合于原动机转速变化范围大的场合，系统的动态特性好，适宜建立具有起动发电双功能的高压直流系统。

  2笼型异步电机一电力电子变换器发电系统的技术现状用于控制异步发电机的电力电子变换器实际与DC―AC三相逆变器的拓扑结构相同，是一种三相桥结构。根据前面的两种基本分类，分别来介绍目前几种代表性的结构形式及其控制策略的基本特点。

  2.1并联结构形式并联结构形式的异步发电机一变换器发电系统中的电力电子变换器主要作用是为异步发电机提供并联形式的工作原理与工作模态图如果拖动原动机的转速能基本不变，用电器对源的频率恒定的要求不太高，则采用频率基本恒方案的异步发电机一变换器发电系统。因其能通、、准确调节输入到异步发电机的励磁无功来调节发应用磁场定向矢量控制的异步发电机系统结构容性无功励磁，具体到某一个应用系统，电路的连接关系与控制策略则各有特点，可分为变换器完全恒频工作方式与基本恒频工作方式。恒频工作以为例介绍，如所示，在一独立供电系统中的原动机的输入功率是变化的，变换器正弦调制信号的频率固定为60Hz变换器的直流侧为蓄电池组。该系统有三种工作模态：①当发电机的输出功率与负载需要功率相等时，变换器不传递有功，仅提供发电机与负载所需的无功。②当发电机的输出功率小于负载消耗的功率时，变换器工作于逆变器状态，蓄电池放电，经逆变器向负载供电。

  ③当发电机的输出功率大于负载消耗的功率时，变换器工作于整流状态，吸收发电机多余电能给蓄电池充电。该系统实际为异步发电机与逆变器并联运行，需要较多的蓄电池构成蓄电池组来储备与释放电能。、报道的这一类系统的共同点是工作频率完全由固定调制频率的变换器决定，再以各不相同的方式控制发电机输出电压的恒定，使系统可在恒压恒频下运行，允许发电机转速在一定范围内变化，但原动机的转速不能低于同步速。另一共同之处是系统的动态特性不理想，突加负载的恢复时间较长。

  电定过电机的输出电压而使其动态性能比较好。又献介绍了一种新颖的电容自励异步发电机的固态电压调节器方案，如所示。该方案以异步发电机端电压为基准，分解出变换器控制电压所需的无功分量及有功分量，通过准确调节这两个分量来调节发电机的输出电压。与之相比，磁场定向矢量控制则可控制异步发电机的励磁电流。发表了Lyra等人的在异步发电机中应用磁场定向矢量控制的研宄结果，其系统结构如所示，采用了定子磁场定向矢量控制。定子磁链矢量的幅值和相角通过Luenberger磁链观测算法得到；给定电流的励磁分量由给定磁链幅值与磁链的观测值的偏差经PI调节得到；给定电流的有功分量由变换器直流侧的直流电压的给定值与实测值的偏差经PI调节得到。则介绍了异步发电机的转子磁链定向矢量控制策略的计算机仿真分析。并联结构形式的异步发电机的励磁电流的磁场定向控制的两种定向方式的优缺点与异步电动机矢量控制的相同。因为交流负载直接接在异步发电机的输出端上，输出电压的频率的偏移必须满足用电器的要求，因此原动机的转速不能在大范围内变化。

  提出了一种解决途径，将发电机输出交流电经二极管整流桥整流后输出恒定直流电压，给直流负载或逆变器供电。另一种解决途径则是构成串联结构的异步发电机一变换器发电系统。

  22串联结构形式串联结构形式的异步发电机一变换器发电系统适合应用于原动机转速变化范围较大的场合，比较集中地应用在风力发电系统中111.介绍串联形式发电系统的中的连接拓扑基本相同，但采取的控制策略可划分为不同的两类：一类是采用了V/f控制技米另一类采用了矢量控制技术。下面分别对这两类控制策略作概括介绍。

  V/f控制策略以的控制策略为例，工作原理如所示，V/f控制策略比较简单，用一般的微处理器即可实现控制算法，但系统的动态响应较差。

  从看，异步发电机的磁场定向矢量控制技术采用定子磁场定向方式或转子磁场定向方式，下面举例概要介绍这两种矢量控制技术。

　异步电动机经双向变换器相连构成的能量转换系统，其中异步发电机的转子磁场定向控制策略如所示。系统检测转子转速及定子电流，由转子磁链观测算法得到转子磁链的幅值及其相角。在旋转坐标系中，根据转速大小决定的磁链的给定值与观测值之差经PI调节得到定子电流的励磁分量，系统输出直流电压（变换器直流侧电压）的给定值与实际检测值的偏差经PI调节得到定子电流有功分量的一部分，另一部分由对其负载逆变器及其所驱动的电机所需功率估算而来（qe），这两部分之和即为定子电流的有功分量，再经过坐标旋转变换与二相到三相的变换，得到异步发电机的定子电流的给定值。以电流追踪方式生成IGBT三相桥的PWM控制信号。介绍了异步发电机采用定子磁场定向控制的方案，并取得在风力发电中的应用专利。由于异步发电机的转速较高，在静止坐标系中定子磁链的Luenbeiger观测算法实际只是简单的积分算法，电机的参数仅用到定子电阻，且定子电阻的变化对磁链观测的影响很小。而转子磁场定向精度则受转子参数（电阻和电感）的影响很大，会严重影响到系统的动态性能。由于异步发电机不会在低速下运行，采用定子磁场定向控制策略优于转子磁场定向控制策略。除了磁链观测器不同外，定子磁场定向控制的结构框图与转子磁场定向控制的基本相同。

  控制串联结构形式的异步发电机一变换器发电系统的输出电压稳定，实际上只决定于系统在瞬时所发出的有功功率能否与消耗的功率相平衡。矢量控制动态性能好的原因是将异步发电机电流的励磁分量与转矩分量进行了解耦控制，在磁场定向控制下，发电机的转矩与给定值成简单的比例关系。

  对于笼型异步发电机一变换器发电系统的自励建压发电问题，可采用在发电机端部接电容自励建压；或在电力电子变换器直流侧电容上连接蓄电池预充直流电压，由变换器提供无功自励。在控制发电机起励的过程中，必须随直流电压的变化来确定磁链恰当的给定幅值（或励磁电流分量）和恰当的转矩给定值（或有功电流分量），特别是在预充电压较低的情况下，否则将不能实现自励。如何像并电容自励那样利用异步发电机的剩磁电压，通过控制变换器使异步发电机自励建压值得进一步研宄。

　3结论异步发电机转子磁场定向控制策略换器的发电系统将有很强的竞争力，目前逐渐成为在可再生能源发电系统中，在新型起动发电双功能电源系统中，笼型异步发电机结合电力电子变国际上的一个研究热点。电力电子技术在异步电机的电动运行控制中己具备了大量可借鉴的技术。如何针对变速发电运行的特点，使异步发电机一电力电子变换器发电系统的动静态特性更趋完善，在系统模型、控制策略、电路拓扑等方面都有值得深入研究的地方。