脉冲电源双馈调速系统的仿真研究

脉冲电源双馈调速系统的仿真研究
刘威葳;徐鹏;蒋成玺
【摘要】国家脉冲强磁场科学中心(筹)从美国引进的100 MW脉冲发电机电源系统的绕线式异步电动机的额定频率为60 Hz,同步转速为720 r/min,但当其供电频率为50 Hz时,其额定转速达不到其设计值,导致与电动机转子同轴的发电机飞轮的储能也达不到设计值185 MJ.针对该问题,设计了一套双闭环解耦控制的双馈调速方案,使得该电动机能够稳定运行于转速为720 r/min的超同步工况.用MATLAB/Simulink传真平台建立100MW脉冲电源系统电动机的超同步双馈调速系统的模型,并结合相关实际参数,针对超同步运行状况进行仿真.仿真结果证明了该双馈调速系统设置的正确性.
【期刊名称】《广东电力》
【年(卷),期】2012(025)010
【总页数】5页(P46-50)
【关键词】绕线式异步电动机;双闭环解耦控制;双馈调速;100MW脉冲电源系统【作者】刘威葳;徐鹏;蒋成玺
【作者单位】广州供电局有限公司试验研究所,广东广州510410;华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心(筹),湖北武汉430074;湖北省电力公司,湖北武汉430077;华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心(筹),湖北武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】TM862
国家脉冲强磁场科学中心(筹)从美国引进的脉冲发电机电源系统所使用的脉冲发电机组由美国西屋公司制造。

1980年11月，该机组在德州州立大学奥斯丁分校核
聚变研究中心首次工作；后由该校拆迁安装至国家脉冲强磁场科学中心(筹)。

该脉冲发电机组应用广泛，除了可为聚变装置提供脉冲能量外，在脉冲强磁场领域，该机组可以设计用于为长脉冲磁体提供能量；利用飞轮储能的原理，该机组可以提供短时电压支撑以提高电力系统电压稳定性。

由于脉冲发电机电源系统的电动机原始设计工作频率为60 Hz，同步转速为720
r/min；然而在工频50 Hz时，其同步转速为600 r/min，与其同轴的发电机转子储能不能达到额定值。

解决方案之一是采用双馈调速系统，使得电动机最高转速上升到720 r/min，同时网侧功率因数提高到0.97以上。

本文针对脉冲发电机电源
系统的特点，设计了一套调速方案，利用MATLAB/Simulink仿真平台搭建了该
系统的仿真模型，为该系统调速方案的选择提出了理论依据。

脉冲发电机电源系统由共轴的电动机和发电机组成。

电动机为绕线式转子三相异步电机，额定电压为12 kV、额定频率为60 Hz时，额定功率为1 417 kW，最大转速为713 r/min；采用三级串电阻器起动方式，三级电阻器总电阻值为0.621 1 Ω。

脉冲发电机的功率为100 MW，储能185 MJ。

当脉冲发电机的转速由713 r/min 降为495 r/min时，可对外提供约100 MJ的能量。

脉冲发电机电源系统原理如图1所示。

虚线内为本文设计的调速系统，采用交-直-交的拓扑结构，这种结构技术成熟，实用性强。

电源系统工作原理为：电动机拖动发电机到额定转速，将电能转化为机械能储存在飞轮中；然后发电机将机械能转换成电能，通过接口电路对负载放电。

当定子和转子侧都取电动机惯例时，在任意旋转坐标系下，双馈电动机的电压方程为：
式中：Uqs 、Iqs和Uds、 Ids分别为q轴和d轴定子侧电压和电流；Rs为定子
绕组的电阻； Uqr 、Iqr和Udr、Idr分别为q轴和d轴转子侧电压和电流；Rr 为转子绕组的电阻；Φqs、Φds和Φqr、Φdr分别为定子侧和转子侧q轴、d轴的磁通；ωe为同步角速度；ωsl为转子转差角速度。

双馈调速系统可看作是异步电机转子变压变频调速系统，双馈电机的磁链方程为：其中
式中：Lls和Llr分别为定子绕组和转子绕组的漏感；Ls和Lr分别为定子和转子等效感抗；Lm为定转子互感；把同步旋转d-q坐标系的d轴定在定子磁链的方向上，则有
定义漏感系数易推导出双馈电动机的基本公式为：
式中：Φ为主磁通；U为电网侧电压有效值；Te为转子电磁转矩；Ps 和Qs分别为定子瞬时有功和瞬时无功；Te为转子电磁转矩；np为极对数；Ps 和Qs分别为定子瞬时有功和瞬时无功。

结合式(5)至式(10)，可得异步电动机的动态结构(如图2所示)。

图2表明，异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，虽然可通过坐标变换使其降阶，但并没改变其本质[2-4]。

因此，调速系统的设计应面向这样一个动态模型，同时具有高动态性能[5-6]。

为了利用双馈异步电机转子电流的q轴和d轴分量分别实现对双馈异步电机有功功率(或电磁转矩、转速)和无功功率的解耦控制，先采用前馈补偿去除电流内特性中的交叉耦合项，然后对转子电流进行比例积分(proportion integration，PI)闭环控制，减小对参考电流的输出跟踪稳态误差。

在此基础上，再对机械外特性中的转子转速和无功功率进行PI闭环控制，从而达到系统要求的动态跟踪控制效果[7-9](如图3所示)。

作为内环的电流调节器，其作用是使电流紧紧跟随给定值的变化，保证电动机转子侧获得允许的最大电流，从而加快动态跟踪过程。

PI参数的选取非常重要，通常
P参数越大，则系统快速性越好，但超调量也就越大；I参数的大小决定积分环节
的影响程度，主要用于消除静差，往往与P参数相结合来调节系统以满足对动态
性能和稳定性的要求。

由于控制对象较复杂，本文采用仿真实验和经验相结合的方法对多个PI控制器进行参数设计。

此外，控制器对PI输出限幅，可决定转子侧逆变器输出电压的峰值。

转速调节器是调速系统的主导调节器，转速ωm很快就能跟随给定转速变化，稳
态时可减小转速误差，此处采用PI调节器，可实现无静差。

由于负载转矩Tm包
含在转速环内，所以该环对负载变化能起到抗扰作用。

在电流内环完全跟踪控制情况下，对转速PI调节器的输出限幅可以用于决定异步电机转子q轴电流Iqr允许
的最大电流。

同理，无功闭环调节器和转速闭环调节器具有相似的性质。

首先，该调节器可实现无功跟踪无静差；其次，可抑制电网电压U的扰动作用；再次，PI限幅可决定转
子d轴电流Idr的最大电流，起到保护电动机的作用。

本文利用MATLAB/Simulink软件平台搭建了100 MW脉冲电源系统的电动机双馈调速系统的仿真电路。

MATLAB/Simulink中的异步电动机模型没有定义定转子的变比，而是将转子侧的变量自动转换到定子侧计算，所以仿真建模在异步电动机转子侧接三相线性变压器以模拟实际运行工况[10-11]。

转子变压器采用Y-Y接法，并设置定转子电压变比为10 kV/2.3 kV。

考虑到绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)工艺水平，选择电压1 700 V电流2 400 A的IGBT开关器件。

网侧逆变器出口选用变比为10 kV/575 V的线性变压器，以配合IGBT的选型。

仿真中，开关器件动作频率选为2 kHz。

当直流电容电压稳定在1.2 kV时，双馈
调速系统在第15 s跟踪1.2倍同步速度(720 r/min)，初始速度为0.987倍同步速度(592 r/min)；无功参考设置为0 Mvar。

部分仿真参数设置见表1，仿真观察时
间为10～100 s，仿真结果如图4和图5所示。

由图5可知，异步电机在第83.92 s时达到参考转速，跟踪速度快，超调量小。

电网侧无功功率(定子无功功率+逆变器无功功率)近似为0，功率因数近似为1。

电网侧有功功率(定子有功功率+逆变器有功功率)在加速前稳定在-0.357 MW(负号代表有功消耗)；加速过程中，网侧有功功率由-1.372 MW缓慢过渡到-1.395 MW；加速完成后，网侧有功功率稳定在-0.370 MW。

该异步电机增加的有功消耗一部分流向异步电机定子，一部分流向网侧逆变器。

经过计算，逆变器消耗有功功率最大值为-0.403 MW，转速稳定后消耗有功功率为-0.209 MW。

直流电容电压稳定，仅仅在加速和减速过程结束时刻有不到20 V脉动。

本文首先对异步电动机的动态模型进行了分析，针对100 MW脉冲发电机电源系统的实际运行工况提出了一套双馈调速方案，建立了双馈调速系统双闭环解耦控制模型。

其次，通过对双馈变频方案的仿真研究，证明了100 MW脉冲发电机电源系统的电动机超同步调速方案的可行性，验证了仿真模型参数选择的正确性和双闭环解耦控制策略的合理性，对该异步电机双馈调速方案的设计有重要参考价值。

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