采用H桥级联拓扑结构的大容量异步发电机静止励磁控制方法

_
Ga11 R1
Ga13
Ga12 Ga14
+
Udc3 C
_
Gb11 R3
Gb13
Gb12 Gb14
+
Udc5 C
_
改变总励磁电流大小和相位的前提下对电容电压 进行均压控制。理论分析和仿真结果验证了所提出 方法的正确性。
1 12/3 相双绕组异步发电机系统概述
12/3 相双绕组异步发电机系统的结构如图 1 所 示，其定子带有十二相绕组和三相绕组各一套[4-5]。
开关函数在桥臂上管导电时值为 1，在桥臂下管导
电时值为 0。 由于 ia + ib + ic = 0 ，且在正常情况下励磁绕组
端口电压三相对称，亦有 Eaa + Ebb + Ecc = 0 ，所以 由式(1)可得
(Sa1p − Sa1n )Udc1 + (Sa2p − Sa2n )Udc2 + (Sb1p − Sb1n )Udc3 + (Sb2p − Sb2n )Udc4 + (Sc1p − Sc1n )Udc5 +
(Sc2p − Sc2n )Udc6 = −3UNO
(2)
由于本文涉及的感应电机的励磁电流较大，励
磁调节器的开关频率不宜过高，但由于对级联 H 桥
拓扑可以采用载波移相调制，励磁调节器的等效开
关频率相对于基波频率而言还是比较高的，因此可
以采用开关状态平均来进行分析。以 A 相为考虑对
象，联立式(2)，则式(1)可改写为
十二相绕组由 4 个 Y(Y1∼Y4)绕组组成，带十二相整 流桥输出高品质的直流电压，称为功率绕组，为主
绕组。与传统的电容自激异步发电一样，功率绕组
的每个 Y 绕组上按星形接法带自励电容。十二相整 流桥的输出电压记为 ud，ud 值的大小和原动机转速 等因素有关，而且当负载或原动机转速发生变化
时，ud 也会发生变化。而三相绕组作为励磁补偿绕 组来补偿十二相绕组需要的无功电流，使 ud 稳定在 一个固定值 ud∗ 上，是一套辅助绕组。在励磁补偿绕 组上接 2 单元 H 桥级联的静止无功励磁补偿器，通 过此无功励磁补偿器向电机的励磁补偿绕组注入
无功电流，从而实现对输出整流电压的控制和调
节。图 1 中：Ra、Rb、Rc 为测量电阻，用以测量励
磁绕组的相电压值；L 为滤波电感，用于减小励磁
电流中的谐波含量；C 为无功励磁补偿器的储能电
容；R1~R6 为无功励磁补偿器的放电电阻；us 为励
磁绕组电压；ia、ib、ic 为励磁绕组各相的相电流；
Eaa、Ebb、Ecc 为端口电压。
KEY WORDS: dual stator-winding；induction generator； excitation；cascaded converter；voltage equalization
摘要：针对大容量 12/3 相双绕组异步发电机的励磁控制要求， 选用级联式 2 单元拓扑结构，提出了一种 dq 坐标系下的励磁 控制方法。所提出的微调 d 分量对级联式无功补偿装置直流 侧电容电压进行均压控制的方法可在不影响总输出电流的同 时，对直流侧电容电压进行均压，相对于传统的移相均压控 制方法，该方法实现了均压控制与励磁电流的完全解耦。理 论分析和仿真结果验证了所提出方法的正确性。
−L dia dt
− Ria
+
Eaa
= (da1pf
− da1nf )Udc1
+ (da2pf
− da2nf ) ⋅
Udc2
−
1 3
[(
da1pf
− da1nf )Udc1
+ (da2pf
− da2nf )Udc2
+
(db1pf − db1nf )Udc3 + (db2pf − db2nf )Udc4 +
40
徐相行等：采用 H 桥级联拓扑结构的大容量异步发电机静止励磁控制方法
Vol. 32 No. 12
电机提供或吸收无功电流，因此采用级联 H 桥多电 平拓扑的静止式补偿装置是大容量双绕组感应发 电机系统励磁控制的一种很好的选择。采用级联 H 桥拓扑结构的无功补偿装置的一个关键技术就是 实现对直流侧电容电压的均衡控制，已有很多文献 对此进行了分析和研究[9-15]。文献[9-10]对应用于民 用电力系统的级联 H 桥多电平无功补偿器直流侧 电容电压的不平衡现象进行了仿真分析和研究，但 未提出相应的均压控制方法。文献[11]提出了一种 基于直流母线能量交换的直流电压平衡控制方法， 缺点是需要在硬件上额外添加多台变压器。文献 [12-15]分别从不同角度对采用级联 H 桥拓扑结构 的无功补偿器的直流侧电容电压均衡控制进行了 分析和研究，但其本质是一致的，都是通过对调制 波进行移相来实现直流侧电容电压的均衡控制。需 指出的是：这种调制波移相均衡控制方法是一种近 似条件下的方法，不能实现有功和无功电流的完全 解耦，在进行有功调节的同时会改变总的励磁输出 电流的大小和相位。
徐相行，孙 驰，胡 安
（海军工程大学 电力电子技术研究所，湖北省 武汉市 430033）
An Approach to Control Static Excitation of High Power Induction Generator Using H-Bridge Cascaded Topology
Gc22 Gc24
负载
图 1 双绕组感应发电机系统励磁控制图
Excitation control diagram of the dual stator-winding induction generator
十二相整流桥
2 采用三相 2 单元 H 桥级联拓扑结构的静 止无功励磁补偿器控制方法
2.1 控制方法的推导 假设 A 相上、下 H 桥左、右侧桥臂的开关函
(dc1pf − dc1nf )Udc5 + (dc2pf − dc2nf )Udc6 ] (3) 式中：dk1pf、dk2pf、dk1nf、dk2nf( k = a, b, c )为 6 个 H 桥左右十二个桥臂开关函数所对应的占空比，根据
开关函数的定义，其取值是介于 0 和 1 之间的值，
比，异步发电机具有功率密度大、结构简单、机械 强度高、制造成本低、维护方便等突出优点；另外， 将发电机与高速原动机直接相连，消除了减速机构 带来的诸如体积大、噪声等不利因素，提高了系统 可靠性。
传统自激式感应发电机大多在输出端并联电容 以提供无功励磁功率，维持发电机的稳定运行。但 由于端电压随负载变化而变化，一旦负载要求的无 功励磁功率超过电容所能提供的无功功率，电压将 跌落甚至崩溃，因此对感应电机增加额外的励磁补 偿装置尤为重要。文献[1]介绍了一种新的 3/3 相双 绕组结构的感应发电机系统，一套三相定子绕组作 为功率绕组带动整流负载，另一套三相绕组专门作 为励磁补偿绕组，并提出了相应的励磁控制策略[1-3]。 对于大容量高速异步发电机，为进一步提高供电品 质，文献[4-5]对一种 12/3 相双绕组感应发电机系统 进行了分析，并针对这种系统，分别研究了两电平电 路拓扑在 abc 静止坐标系和 dq 旋转坐标系下的励磁 控制方法，验证了该种异步感应发电系统的可行性。
−
Sb1n )Udc3
+
(1)
⎪ (Sb2p − Sb2n )Udc4 + UNO
⎪ ⎪
−
L
dic
⎪ dt
−
Ric
+
Ecc
= (Sc1p
−
Sc1n )Udc5
+
⎪⎩ (Sc2p − Sc2n )Udc6 + UNO
第 32 卷 Biblioteka 12 期电网技术41
式中：R 为线路电阻(一般很小，在图 1 中没标示)；
本文以一种大容量双绕组 12/3 相异步发电机 系统的励磁控制为研究对象，针对 2 单元级联 H 桥 拓扑，采用大信号建模的方法，对励磁补偿器在 dq 坐标系下的控制方法进行了详细的推导，并针对直 流侧电容电压均衡控制问题，提出了一种微调 d 分 量的电容电压均压控制方法，该方法可以实现在不
+
Udc1 C
对于双绕组感应发电机的励磁补偿装置，以上 文献采用的是传统的二电平功率变换器，对于电压 和功率等级不高的电源系统是适用的。大容量异步 发电机系统的励磁电流和励磁电压等级往往很高， 由于功率器件耐压和电流额定的限制，传统的二电 平功率变换器难以满足系统要求，采用级联 H 桥多 电平拓扑结构的无功功率补偿装置具有结构和控 制模块化、波形质量好及冗余性强的优点，已逐渐 成为大容量无功补偿装置的首选[6-8]。对于双绕组感 应发电机系统，静止励磁补偿器的主要作用是向发
关键词：双绕组；异步发电机；励磁；级联变换器；均压
0 引言
在舰船电站中，一般采用同步发电机系统产生 交流电经整流得到所需的直流电，与同步发电机相
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50607020，50421703)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (NSFC) (50607020, 50421703)．
ia L ib
励磁绕组 ω
L ic
L
Eaa
Ra Rb Rc us
Ebb Ecc
Gc11
Gc12
O
...
R5
功率绕组
Gc13
Gc14
...
+
Udc2 C
_
Ga21 R2
Ga23
Ga22 Ga24
Fig. 1
+
Udc4 C
_
Gb21 R4
Gb23
Gb22
Gb24 N