籠型異步發(fā)電機系統(tǒng)電壓與頻率穩(wěn)定控制的新方法研究

利用可再生能源，開發(fā)中小型分散式電源系統(tǒng)是滿足電力需求的持續(xù)增長，解決環(huán)境問題的重要手段。近年來，隨著我國電氣化事業(yè)的推進，小水電和風(fēng)電得到了很大發(fā)展，在提高農(nóng)村電氣化水平、減排溫室氣體以及電力系統(tǒng)災(zāi)害應(yīng)急等方面發(fā)揮了重要作用?；\型異步發(fā)電機由于簡單，堅固，價廉等優(yōu)點而備受關(guān)注；其缺點是原動機轉(zhuǎn)速變化或負載阻抗改變時難以維持電壓與頻率的穩(wěn)定。 本項目圍繞籠型異步發(fā)電機系統(tǒng)獨立運行時的穩(wěn)定性問題展開研究，主要研究內(nèi)容包括：1、異步發(fā)電機獨立運行的穩(wěn)定性分析；本項目建立了電容自勵條件下異步發(fā)電機的穩(wěn)暫態(tài)電氣模型，分析了負載阻抗，電機轉(zhuǎn)速，自勵電容及定子端電壓之間的量化關(guān)系。分析了負載躍變時電壓衰減的動態(tài)過程，重點解決了負載變化時異步電機避免消磁的端電壓臨界條件。 2、MERS ( Magnetic Energy Recovery Switch) 并聯(lián)無功補償控制方法研究。本項目研究了MERS的結(jié)構(gòu)拓撲組，提出了半橋和全橋結(jié)構(gòu)的SVC-MERS，研究其工作原理，提出了相位角控制以及波形直接控制方法，進行了仿真和實驗驗證。同時，建立電氣數(shù)學(xué)模型，分析其補償性能，包括無功補償范圍，諧波特性等。最終提出了MERS優(yōu)化控制以及參數(shù)設(shè)計方法。再次，提出了平衡/不平衡負載條件下基于MERS的異步電機穩(wěn)定控制方法，并進行了仿真和實驗驗證。3、基于飛輪電力緩沖器的頻率控制方法研究。本項目提出了飛輪電力緩沖器的基本概念，明確了其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運行機理，揭示了系統(tǒng)頻率控制目標和飛輪裝置自身設(shè)計參數(shù)之間的量化關(guān)系。實驗驗證了頻率瞬變情況下飛輪電力緩沖器的有功輸出響應(yīng)以及電壓瞬變時飛輪電力緩沖器的無功輸出響應(yīng)。 通過本項目的研究，闡明了負載變化時異步發(fā)電機的電壓穩(wěn)暫態(tài)變化過程，提出了基于MERS并聯(lián)無功補償?shù)碾妷嚎刂品椒?，以及基于飛輪電力緩沖器的頻率控制方法，建立起簡單可靠且性能優(yōu)良的中小型分散式發(fā)電系統(tǒng)運行模式。研究成果可為分散式電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量控制、異步發(fā)電機的穩(wěn)定運行提供理論指導(dǎo)。

隨著小水電，風(fēng)電等新能源的開發(fā)和中小型分散電源系統(tǒng)的發(fā)展，籠型異步發(fā)電機由于簡單，堅固，價廉等優(yōu)點而備受關(guān)注；其缺點是轉(zhuǎn)速或負載變化時難以維持電壓/頻率的穩(wěn)定。因此，迫切需要一種簡單可靠且性能優(yōu)良的方法來實現(xiàn)電壓/頻率控制，提高帶載能力。本項目首先從異步發(fā)電機的穩(wěn)暫態(tài)模型出發(fā)，結(jié)合無功補償?shù)膭討B(tài)過程，重點突破其自身參數(shù)對電壓暫態(tài)的作用機理和影響規(guī)律，形成對無功補償方法在補償容量，響應(yīng)速度，控制精度等方面的性能要求；其次，提出一種新型的無功補償方法-并聯(lián)型MERS（磁能回復(fù)開關(guān)），從建模分析，控制策略，參數(shù)設(shè)計三個方面建立起并聯(lián)型MERS控制理論，進而提出其對異步發(fā)電機系統(tǒng)中各種復(fù)雜負載情況的電壓控制方法；再次，研究異步發(fā)電機系統(tǒng)頻率波動的產(chǎn)生機理和作用因素，突破暫態(tài)頻率偏移對電壓的耦合影響和量化分析，并提出基于飛輪儲能的電力緩沖器來平衡負載，穩(wěn)定頻率。以上方法實用可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1所示為這種穩(wěn)速系統(tǒng)的原理圖。給定頻率和轉(zhuǎn)速反饋頻率都先通過頻率電壓變換器(f/N)變換成電壓信號，再輸入調(diào)節(jié)器對電動機轉(zhuǎn)速進行控制。由于兩個頻率電壓變換器的漂移在一定程度上可以互相補償，其穩(wěn)速精度略高于用測速發(fā)電機反饋的模擬控制，一般可達0.1%。常用的頻率電壓變換器有飽和變壓器、電容充放電電路、計數(shù)限幅電路等 。

頻率控制，又稱頻率調(diào)整，是使輸出信號頻率與給定頻率保持確定關(guān)系的自動控制方法。頻率控制是電力系統(tǒng)中維持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保證電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。電力系統(tǒng)頻率調(diào)整的主要方法是調(diào)整發(fā)電功率和進行負荷管理。按照調(diào)整范圍和調(diào)節(jié)能力的不同，頻率調(diào)整可分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻。電力系統(tǒng)頻率調(diào)整也是電力市場的重要組成部分。