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

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(jī)由于簡(jiǎn)單，堅(jiān)固，價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注；其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速或負(fù)載變化時(shí)難以維持電壓/頻率的穩(wěn)定。因此，迫切需要一種簡(jiǎn)單可靠且性能優(yōu)良的方法來實(shí)現(xiàn)電壓/頻率控制，提高帶載能力。本項(xiàng)目首先從異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)暫態(tài)模型出發(fā)，結(jié)合無功補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)過程，重點(diǎn)突破其自身參數(shù)對(duì)電壓暫態(tài)的作用機(jī)理和影響規(guī)律，形成對(duì)無功補(bǔ)償方法在補(bǔ)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(bǔ)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(jì)三個(gè)方面建立起并聯(lián)型MERS控制理論，進(jìn)而提出其對(duì)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中各種復(fù)雜負(fù)載情況的電壓控制方法；再次，研究異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)頻率波動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理和作用因素，突破暫態(tài)頻率偏移對(duì)電壓的耦合影響和量化分析，并提出基于飛輪儲(chǔ)能的電力緩沖器來平衡負(fù)載，穩(wěn)定頻率。以上方法實(shí)用可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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(jìn)，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。籠型異步發(fā)電機(jī)由于簡(jiǎn)單，堅(jiān)固，價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注；其缺點(diǎn)是原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化或負(fù)載阻抗改變時(shí)難以維持電壓與頻率的穩(wěn)定。 本項(xiàng)目圍繞籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)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(jī)獨(dú)立運(yùn)行的穩(wěn)定性分析；本項(xiàng)目建立了電容自勵(lì)條件下異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)暫態(tài)電氣模型，分析了負(fù)載阻抗，電機(jī)轉(zhuǎn)速，自勵(lì)電容及定子端電壓之間的量化關(guān)系。分析了負(fù)載躍變時(shí)電壓衰減的動(dòng)態(tài)過程，重點(diǎn)解決了負(fù)載變化時(shí)異步電機(jī)避免消磁的端電壓臨界條件。 2、MERS ( Magnetic Energy Recovery Switch) 并聯(lián)無功補(bǔ)償控制方法研究。本項(xiàng)目研究了MERS的結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M，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(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，建立電氣數(shù)學(xué)模型，分析其補(bǔ)償性能，包括無功補(bǔ)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(jì)方法。再次，提出了平衡/不平衡負(fù)載條件下基于MERS的異步電機(jī)穩(wěn)定控制方法，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。3、基于飛輪電力緩沖器的頻率控制方法研究。本項(xiàng)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(yùn)行機(jī)理，揭示了系統(tǒng)頻率控制目標(biāo)和飛輪裝置自身設(shè)計(jì)參數(shù)之間的量化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)飛輪電力緩沖器的無功輸出響應(yīng)。 通過本項(xiàng)目的研究，闡明了負(fù)載變化時(shí)異步發(fā)電機(jī)的電壓穩(wěn)暫態(tài)變化過程，提出了基于MERS并聯(lián)無功補(bǔ)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(jiǎn)單可靠且性能優(yōu)良的中小型分散式發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)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(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

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(hào)，再輸入調(diào)節(jié)器對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。由于兩個(gè)頻率電壓變換器的漂移在一定程度上可以互相補(bǔ)償，其穩(wěn)速精度略高于用測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋的模擬控制，一般可達(dá)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(jì)數(shù)限幅電路等 。

頻率控制，又稱頻率調(diào)整，是使輸出信號(hào)頻率與給定頻率保持確定關(guān)系的自動(dòng)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(jìn)行負(fù)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(chǎng)的重要組成部分。