【正文】 ...................... 37 . 單極性方式 ................................................................................. 37 ........................................................................... 37 5 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性的研究 ............................................................... 39 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性的機(jī)理分析 ............................................. 39 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性的穩(wěn)定極限仿真分析 ............................. 45 小結(jié) .......................................................................................................... 49 6 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究 ............................................................... 50 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概述 ..................................................................... 50 發(fā)電機(jī)暫態(tài)功率頻率特性和飛輪效應(yīng) ................................................. 51 7 交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)交 直 交變頻器仿真 ............................................................. 54 8 交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真 ............................................................................... 57 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型 ..................................................................... 57 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓大小對(duì)系統(tǒng)有功無功的影響 ......................................... 60 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓頻率對(duì)系統(tǒng)有功無功的影響 ......................................... 61 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓相位對(duì)系統(tǒng)有功無功的影響 ......................................... 62 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓相序?qū)ο到y(tǒng)有功無功的影響 ......................................... 64 9 結(jié)論 .................................................................................................................... 66 致謝 ........................................................................................................................ 67 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................ 68 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制與仿真 1 引言 現(xiàn)在電力系統(tǒng)的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下幾個(gè)趨勢(shì)：（ 1）發(fā)電機(jī)單機(jī)容量日益增大，系統(tǒng)容量越來越大，輸電電壓等級(jí)越來越高，且輸電線路長(zhǎng)度不斷增加；（ 2）電網(wǎng)日負(fù)荷曲線的不均勻性不斷加劇；（ 3）在我國(guó)以原子核裂變所產(chǎn)生的能量建立的核電站數(shù)量逐漸增多；（ 4） 充分利用水力、風(fēng)力等可再生性資源，大力發(fā)展水力、風(fēng)力發(fā)電?，F(xiàn)代電力工業(yè)的這些趨勢(shì)，使得現(xiàn)在以傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)，暴露出越來越多的技術(shù)問題急待加以解決 [1]。 由于輸電線路電壓等級(jí)的提高，且線路不斷加長(zhǎng)，負(fù)荷曲線的不均勻性加劇，當(dāng)輸電線路傳輸功率低于自然功率時(shí)，輸電線路將出現(xiàn)過剩的無功功率，從而導(dǎo)致電站和線路持續(xù)工頻過電壓，危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行，使線路損耗增加，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)無法并網(wǎng)。長(zhǎng)線的出現(xiàn)使發(fā)動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)的穩(wěn)定問題更為突出。解決上述問題的傳統(tǒng)方法是：同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行；電站或線路上加裝電抗 器、靜止無功補(bǔ)償裝置或同步調(diào)相機(jī)，加裝補(bǔ)償設(shè)備增加了電站及系統(tǒng)的投資，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，為保證發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備需降低輸出，影響電站運(yùn)行效益。隨著技術(shù)的發(fā)展，提出了一些新方法來解決電站和線路的持續(xù)工頻過電壓、穩(wěn)定性問題，如緊湊型線路、直流輸電技術(shù)、 FACTS 技術(shù)等。二十世紀(jì)七十年代，前蘇聯(lián)提出在電力系統(tǒng)中采用異步化同步發(fā)電機(jī)（包括異步化汽輪發(fā)電機(jī)和異步化水輪發(fā)電機(jī)，相應(yīng)轉(zhuǎn)子為直流和交流）部分取代同步發(fā)電機(jī)的辦法來解決電站因無功過剩引起的持續(xù)工頻過電壓和穩(wěn)定性問題。 為適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷曲線變化，較好的解決辦 法是在電力系統(tǒng)中建立一定容量的抽水蓄能電站，這種電站能承擔(dān)尖峰負(fù)荷和填平負(fù)荷低谷，目前已被全世界公認(rèn)為是最有效的手段。國(guó)外的實(shí)踐證明，抽水蓄能電站機(jī)組采用可逆型最佳，因?yàn)檫@種機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，廠房和輔助設(shè)備少，造價(jià)低，但這種機(jī)組由于水輪機(jī)兼作水泵，要使在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)下都到達(dá)較高的效率，需機(jī)組可變速。但傳統(tǒng)的電動(dòng) 發(fā)電機(jī)組是直流勵(lì)磁的同步電機(jī)，調(diào)速比較困難，且特性差，此外該機(jī)組需電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)比較困難，為解決蓄能機(jī)組的調(diào)速、啟動(dòng)，日本已研究并投入運(yùn)行了交流勵(lì)磁電動(dòng) 發(fā)電機(jī)，并取得了良好的效益。另外，若在水 輪機(jī)組上采用可變速的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組，則可使水輪機(jī)適應(yīng)不同的水頭，持續(xù)運(yùn)行在最佳工況。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中一般也采用變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，利用交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組，通過控制勵(lì)磁頻率實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，以在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提高風(fēng)力機(jī)的效率，充分利用風(fēng)能。 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)是結(jié)合了異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的一種新型發(fā)電機(jī)，具有良好的調(diào)速性能、可調(diào)節(jié)電網(wǎng)的有功和無功功率、改善電網(wǎng)功率因 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制與仿真 2 素、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。在可調(diào)速發(fā)電和解決電力系統(tǒng)現(xiàn)存問題等多種場(chǎng)合有著廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展前景。 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 由 于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)具有傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)無可比擬的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景，因此其理論研究和實(shí)踐實(shí)際已成為國(guó)內(nèi)外研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。近些年來，許多國(guó)家如前蘇聯(lián)、日本和美國(guó)等都對(duì)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行了廣闊的研究，并逐步在工業(yè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。 前蘇聯(lián)在異步化同步發(fā)電機(jī)的理論研究和工業(yè)應(yīng)用方面做了大量工作，建立了異步化發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論，提出了雙通道勵(lì)磁控制思想，并對(duì)這種電機(jī)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行特性及并網(wǎng)運(yùn)行性能進(jìn)行了研究。前蘇聯(lián)已有兩臺(tái) 50MW 異步化水輪發(fā)電機(jī)在依奧夫斯克水電站投入正式運(yùn)行，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了同頻異步并列運(yùn)行，且成功 地實(shí)現(xiàn)了在輸出無功和大量吸收無功兩種工況下運(yùn)行。 日本從上世紀(jì)八十年代開始研究交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)技術(shù) [1]，并在飛輪蓄能與抽水蓄能電站的應(yīng)用方面取得了成功。日本 關(guān)西電力公司于 1987 年投運(yùn)了世界上第一臺(tái) 22MW 的變速發(fā)電 電動(dòng)機(jī)，并在 1993 年投運(yùn)了 400MW 的可變速抽水蓄能電站；東芝 東京電力公司于 1990 年運(yùn)行了 80MW 的變速發(fā)電機(jī)組，并研制成功了 300MW的變速交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組；高見電站、沖繩發(fā)電機(jī)等也相繼采用了可調(diào)速交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)技術(shù)。經(jīng)過日本試驗(yàn)機(jī)組的運(yùn)行研究表明：通過水輪機(jī)的變速運(yùn)行可以提高水輪機(jī) 的運(yùn)行效率，增加水泵運(yùn)行工況下的自動(dòng)調(diào)頻能力，并通過有功功率、無功功率的快速調(diào)節(jié)可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 歐洲、美洲一些國(guó)家也就交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，發(fā)表了大量的文章，包括交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)運(yùn)行的基本原理、數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)分析、瞬間分析以及各種實(shí)現(xiàn)其有功、無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的勵(lì)磁控制模型，同時(shí)，對(duì)其在風(fēng)力發(fā)電、船用發(fā)電、水電站變水頭發(fā)電等方面的應(yīng)用也作了大量的理論分析。 我國(guó)在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究方面起步較晚，開始于八十年代中期。由于國(guó)內(nèi)外對(duì)我們實(shí)行關(guān)鍵技術(shù)保密，使我們?cè)诮涣鲃?lì)磁變 速恒頻發(fā)電技術(shù)研究過程中遇到很多困難，致使我們的研究發(fā)展進(jìn)程比較緩慢。華北電力大學(xué)主要開展了雙軸勵(lì)磁發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁控制研究，研制了 100MW 雙軸勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)物理模型，進(jìn)行了雙軸勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的基本方程及其暫、穩(wěn)態(tài)特性的分析，研究了雙軸勵(lì)磁發(fā)電機(jī)同頻異步穩(wěn)定運(yùn)行的物理特性。重慶大學(xué)電氣工程系長(zhǎng)期開展 d、 q 軸勵(lì)磁異步化同步發(fā)電機(jī)的理論分析、電磁設(shè)計(jì)等方面的研究工作。華中科技大學(xué)有學(xué)者對(duì) 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制與仿真 3 雙軸勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。哈爾濱大電機(jī)研究所與浙江大學(xué)、清華大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等單位合作共同承擔(dān)了“ 380KW 交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)”的機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金項(xiàng)目，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁變速運(yùn)行進(jìn)行研究，對(duì)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)行方式及波形、交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及穩(wěn)定性問題、仿真程序等方面進(jìn)行了研究。盡管我國(guó)已在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)方面加強(qiáng)了研究力量，但是由于種種原因，到目前為止國(guó)內(nèi)還沒有商業(yè)化的實(shí)用機(jī)組的制造和投運(yùn)。 本文主要內(nèi)容 本課題研究 交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制的 動(dòng)態(tài)行為， 主要工作有下列幾方面 : (1) 交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性 。 (2) 交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制 。 (3) 交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型； (4) 交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性分析； (5) 運(yùn)用 Matlab/Simulink 形成仿真模型 。 (6) 研究 交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)的暫態(tài)特性及有功和無功的調(diào)節(jié)等。 (7) 仿真結(jié)果檢驗(yàn)。 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制與仿真 4 1 交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性 在常規(guī)同步發(fā)電機(jī)中，一般在轉(zhuǎn)子上安放直流勵(lì)磁繞組，電機(jī)氣隙中同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率只取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，即在定子側(cè)得感應(yīng)電勢(shì)頻率取決于轉(zhuǎn)子的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)相同，是一種隱極電機(jī)，定子側(cè)接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子上采用兩相或三相對(duì)稱交流勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子多相勵(lì)磁的頻率、幅值、相位及相序都可以根據(jù)系統(tǒng)要求加以控制。任何電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)都是相對(duì)靜止、同步旋轉(zhuǎn)的。對(duì)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)有： 1260 ffnp ?? 式中， 1f— 定子繞組電流頻率； 2f— 轉(zhuǎn)子繞組電流頻 率； n— 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；p—極對(duì)數(shù)。 可見，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時(shí)，如能相應(yīng)地改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓頻率的大小，即可保證系統(tǒng)輸出電壓頻率恒定。 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)具有良好的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力。 (2)原動(dòng)機(jī)在一定范圍內(nèi)變速運(yùn)行，簡(jiǎn)化了調(diào)整裝置，減少了調(diào)速時(shí)機(jī)械應(yīng)力。同時(shí)使機(jī)組控制更加靈活、方便，提高了機(jī)組運(yùn)行效率。 (3)調(diào)節(jié)勵(lì) 磁電流幅值，可調(diào)節(jié)發(fā)出的無功功率；調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流相位，可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率。應(yīng)用矢量控制可實(shí)現(xiàn)有、無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。 (4)變頻控制的功率僅是電機(jī)額定容量的一部分，是變頻裝置體積減小，成本降低，投資減少。 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其在電力系統(tǒng)中可發(fā)揮如下作用： (1) 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。在電力系統(tǒng)負(fù)荷突變時(shí)，通過快速改變勵(lì)磁頻率來迅速改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以充分利用轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，釋放或吸收負(fù)荷，使電網(wǎng)擾動(dòng)遠(yuǎn)比利用常規(guī)同步電機(jī)時(shí)輕。 (2)擴(kuò)大發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力，解決電力系統(tǒng)無功過剩問題。同步發(fā)電機(jī)在無功 進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，隨著無功進(jìn)相深度的加大，功率角也在加大，當(dāng)功率角超出穩(wěn)定極限時(shí)，會(huì)引起發(fā)電機(jī)失步，因此，同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力有限。而對(duì)于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^改變轉(zhuǎn)子電流相位，來使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在氣隙空間的位置有一個(gè)位移，這就改變了發(fā)電機(jī)電勢(shì)與電網(wǎng)電壓相量的相對(duì)位置，也就改變了電機(jī)的功率角。即使在電機(jī)吸收大量無功功率時(shí)，也不致引起發(fā)電機(jī)失步。 (3)滿足風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電、船舶與航空發(fā)電等轉(zhuǎn)速變化場(chǎng)合的恒頻發(fā)電要求。 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制與仿真 5 綜上所述，對(duì)于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的研究是很有意義的。 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制與仿真 6 2. 交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 abc 三相坐標(biāo)系中交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與三相繞線式感應(yīng)電機(jī)相似，定、轉(zhuǎn)子繞組均具有三相繞組。在研究交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，常做如下的假設(shè) [2]： 假設(shè)發(fā)電機(jī)是一臺(tái)極對(duì)數(shù)為 1 的繞線式感應(yīng)機(jī)，這臺(tái)電機(jī)沒有阻尼繞組； 設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間上互差 ?120 電角度，所產(chǎn)生的磁勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布； 忽略磁