带整流桥负载的双绕组异步发电机励磁控制方法研究

摘要：针对双绕组异步发电机所带不可控整流桥直流侧电压的稳定问题，提出了一种在控制绕组侧补偿异步发电机所需无功励磁电流的新方法。该方法通过锁相环（PLL）检测出控制绕组中基波电压相位并超前90°作为实际应补偿的励磁无功电流的相位，再根据检测出的功率绕组整流桥直流侧的实际电压与参考电压作比较后，经PI调节确定静止无功发生器（SVG）发出的励磁电流的幅值大小，实现在负载变化时，对控制绕组中所需的励磁电流的大小和频率进行连续调节，达到稳定直流侧电压的目的。并用实验和仿真试验验证了该方法的有效性。

关键词：双绕组异步发电机；锁相环；静止无功发生器

1    引言

在船舶电站中需要用到的高质量直流电，是由交流发电机发出的交流电通过整流得到。目前，在船舶电站中，广泛应用的为同步电机发电系统，若采用异步电机发电系统整流得到直流电，与同步发电机相比，具有功率密度高，结构简单，机械强度高，制造成本低，维护方便等突出的优点。但感应电机作为发电机单机运行时，必须依靠转子剩磁，通过在感应电机定子端并联适当的电容器自励建压，在加负载时，引起发电机的端电压下降，端电压的降低，导致了励磁的容性电流减小，使端电压进一步下降，因此，异步发电机在突加负载时端电压会下降很快，在突加重载时可能导致电压的崩溃。在感应发电机中，要稳定端电压，就必须对容性励磁电流加以控制，但异步机不同于同步机，它的容性励磁电流和产生功率的有功电流是耦合在一起的，这给控制带来了困难。本文针对带整流桥负载的双绕组异步发电机提出了稳定整流桥直流侧电压的一种励磁控制方法。

2    励磁控制系统的结构

    在本文所提的双绕组发电机中，有两套三相定子绕组，一套绕组对负载提供功率，称为功率绕组，另一套接静止无功发生器（SVG）来补偿功率绕组所并电容器产生的容性无功励磁电流的变化，称为控制绕组。由于共用同一个磁场，在两套绕组中，感应出的电动势的频率是相同的，当负载发生变化时由于所需的电磁转矩不同，转差率必然发生改变，发出的交流电的频率也发生变化，经过过渡过程稳定后，对于一个确定的输出功率必然对应一个确定的频率。因此本文所提的控制思路为：检测控制绕组中基波电压的频率作为应补偿的励磁电流的频率，将功率绕组整流侧的实际电压和参考电压作比较后，经PI调节后确定SVG发出的励磁电流的幅值大小，这样就可以实现在负载变化时，对控制绕组中所需的励磁电流的大小和频率进行连续调节，达到稳定直流侧电压的目的，并获得好的动态响应过程。

    整个控制方案如图1所示，具体控制过程如下文所述。

图1    异步发电系统结构框图

    在图1中设畸变的控制绕组端电压为

        (1)

式中：E_n,θ_n为各次电压有效值和初相角，其中θ₁=0。

2.1    产生所需的参考励磁补偿电流i^＊_c1的指令

    电路采用锁相环（PLL）实时跟踪控制绕组侧相电压e_ca的基波相位ωt,通过将其相位超前π/2，得到所需的励磁无功相位；把整流桥直流侧的实际电压u_dc与参考指定电压udc＊作比较后经PI调节得到所需励磁电流的幅值I_m,这样就确定了参考励磁补偿电流i^＊_c1的相位和幅值，也就确定了。

        （2）

2.2    静止无功发生器直流侧电容电压U_c的稳定

    要使SVG能正常地工作，就必须维持SVG直流侧电容上工作电压的稳定。根据三相电路的瞬时无功理论可知，a，b，c三相的瞬时有功功率分别为

        （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，各相的瞬时无功功率之和为0，但在单独观察某一相时，其瞬时无功功率不为0，这表明各相瞬时无功功率只是在三相之间交换，其交换的强度由q表征，因此，对于SVG而言，瞬时无功功率不会导致交流侧和直流侧之间的能量交换。考虑到直流侧电路的损耗，不对电容器的电压加以控制的话，电容器上的工作电压就不能维持，就必须引入适当的有功电流让交流和直流侧交换一定的能量。在本文提及的控制方案中，采用电容器上电压的实际值u_c与参考值u_c^＊作比较后，经PI调节得到所需的有功电流的幅值i_p，通过PLL实时跟踪e_ca的基波相位ωt,得到控制直流侧电容电压稳定所需的有功电流相位，这样通过确定其相位和幅值就确定了控制SVG直流侧电容电压的指令电流信号。

        （6）

2.3    控制SVG的PWM信号的形成

    在图1中SVG需要产生电流的参考信号i^＊_c为

    i^＊_c=i_＊c1＋i^＊_uc    （7）

把i^＊_c和实测的i_c信号通过电流跟踪控制电路产生PWM信号，再让PWM信号经过驱动电路控制SVG中主电路的工作。

        （8）

3    稳态实验结果及仿真试验结果

3.1    双绕组异步发电系统参数

    发电机空载特性如图2所示。

图2    发电机空载特生

    在仿真试验中，电机模型的建立采用图2所示的发电机空载曲线，两套绕组错开90°，并折算成具有相同的参数。

    原动机转速n=1500r/min；

    发电机极对数p=2；

    定子电阻R₁=0.665Ω；

    转子折算到定子侧电阻R₂=0.374Ω；

    定子漏感L₁₁=9mH；

    转子折算到定子侧漏感L₁₂=9mH；

    整流桥直流侧参考电压U^＊_dc=500V；

    SVG电容电流参考值U^＊_c=700V；

    自励电容C=100μF；

    SVG直流侧电容C_c=100μF；

    连接SVG和控制绕组之间的工作电感L_s=10mH。

3.2    稳态时的实验结果与仿真结果

    图3表示了稳态时整流桥直流侧电压与电流的仿真和实验的对比曲线;图4表示了稳态时发电机交流侧基波频率与整流桥直流侧电流的仿真和实验对比曲线。从图3与图4可以看到实验曲线和仿真曲线很吻合，这就验证了所建仿真模型的稳态正确性。

图3    整流桥负载特性图

图4    直流电流与系统频率关系图

3.3    对发电机不加控制时的加载和卸载仿真波形

3.3.1    整流桥直流侧突加和突卸40Ω负载

    对发电机不加控制时，从图5与图6可以看出在3.5s时突加40Ω负载，交流侧电压基波频率下降，整流桥直流侧电压下掉约20V，当在7s时卸载，频率能恢复，电压能在超调约50V恢复。

图5    PLL跟踪的交流侧电压基波频率输出

图6整流桥直流侧电压

3.3.2    整流桥直流侧突加和突卸20Ω负载

    对发电机不加控制时，从图7与图8可以看出在3.5s时突加20Ω负载，交流侧电压基波频率下降，整流桥直流侧电压下掉约170V,当在7s时卸载，频率能恢复，电压虽然能恢复，但恢复时间较长。

图7    PLL跟踪的交流侧电压基波频率输出

图8    整流桥直流侧电压

3.4    对发电机采用SVG补偿容性励磁无功的加载和卸载仿真波形

    对发电机控制绕组采用SVG补偿容性励磁无功电流，在整流桥直流侧突加和突卸负载时，从图9到图14可以看出，整流桥直流侧电压对负载的大小不敏感，对于突加和突卸40Ω和20Ω负载，都能经过一个较短的过渡时间后保持直流电压的稳定；PLL跟踪的交流侧电压基波频率随着负载的改变而改变，进入稳定后，40Ω和20Ω是分别对应了一个确定的频率；SVG直流侧电容除了在电容充电阶段有一个过冲外，以后都能稳定在指定的700V附近。

图9    PLL跟踪的交流侧电压基波频率输出（突加与突卸40Ω负载）

图10    PLL跟踪的交流侧电压基波频率输出（突加与突卸20Ω负载）

图11    整流桥直流侧电压（突加与突卸40Ω负载）

图12    整流桥直流侧电压（突加与突卸20Ω负载）

图13    SVG直流侧电容电压（突加与突卸40Ω负载）

图14    SVG直流侧电容电压（突加与突卸20Ω负载）

4    结语

    从以上的实验和仿真结果可以看出，本文提出的采用PLL跟踪基波频率，带SVG的励磁控制方案对于带整流桥负载的双绕组异步发电机有很好的动态和稳态性能，有进一步进行研究的价值。这种励磁方法虽然只针对带整流桥负载的直流电压的稳定问题进行了研究，也可推广到其它负载。