【正文】 R。當(dāng)將開關(guān)SS4閉合，SS3斷開時，電阻上得到左正右負的電壓；間隔一段時間后將開關(guān)SS4打開，SS3閉合，電阻上得到右正左負的電壓。我們以頻率f交替切換SS4和SS3，在電阻上就可以得到圖313b所示的電壓波形。 a) 單相橋式逆變電路 b) 工作電壓波形 圖313 逆變器工作原理 PWM逆變電路的控制方式 . 單極性方式 單極性控制方式波形見圖323，載波uc在調(diào)制信號波ur的正半周為正極性的三角波，在負半周為負極性的三角波。 圖323 單極性控制方式波形 雙極性控制方式波形見圖324，在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波是在正負兩個方向變化的，所得到的PWM波形也是在兩個方向變化的。圖324 雙極性控制方式波5 交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性的研究 靜態(tài)穩(wěn)定性是衡量發(fā)電機的穩(wěn)定運行能力的重要指標(biāo)。轉(zhuǎn)速可變是交流勵磁發(fā)電機與傳統(tǒng)同步發(fā)電機最根本的區(qū)別，因而研究不同轉(zhuǎn)速下的靜態(tài)穩(wěn)定規(guī)律具有重要意義。通過對交流勵磁電機進行機理分析及靜態(tài)穩(wěn)定極限仿真，得到了在任意轉(zhuǎn)速下交流勵磁發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定規(guī)律。 交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性的機理分析發(fā)電機電勢的相位角——功角是判斷電力系統(tǒng)發(fā)電機并列運行穩(wěn)定性的主要標(biāo)志，而決定功角變化的是機組轉(zhuǎn)子軸系上的不平衡轉(zhuǎn)矩，或與之對應(yīng)的不平衡功率，也就是輸入發(fā)電機的機械功率和發(fā)電機向系統(tǒng)輸送的電磁功率的差值。同步發(fā)電機功角特性方程為： 下面推導(dǎo)交流勵磁發(fā)電機的功角方程。由定子電壓方程：和定子磁鏈方程：可以推導(dǎo)出交流勵磁發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，定、轉(zhuǎn)子回路電壓方程。對定子回路有： 將式（32）等號兩側(cè)乘以j再與式（33）相加，以相量形式表示的：按同步發(fā)電機分析方法，令空載電勢同步電抗，得交流勵磁發(fā)電機定子回路電壓方程： 同理，令轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速電抗得：再令，它是由于轉(zhuǎn)子異步運行時，定子電流產(chǎn)生的磁場在轉(zhuǎn)子側(cè)一相繞組感應(yīng)的電勢，以下簡稱為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差感應(yīng)電勢。從而異步化同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路電壓方程是： 忽略定子電阻，可繪出其穩(wěn)態(tài)運行相量圖，如圖51所示：在由虛線和線段結(jié)構(gòu)的直角三角形中，有： 故交流勵磁發(fā)電機的電磁功率：還可以表示為： 圖51 交流勵磁發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行相量圖 比較式（51）和（57）可知，交流勵磁發(fā)電機與傳統(tǒng)同步發(fā)電機具有完全相同的功角特性方程。所不同的是：在異步化運行時，式（57)中空載電勢是由外部給定勵磁與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差感應(yīng)電勢的合成電壓所形成的轉(zhuǎn)子勵磁電流而決定，它與轉(zhuǎn)速關(guān)系密切。如果用暫態(tài)電勢，暫態(tài)電抗表示交流勵磁發(fā)電機，同理可以推得： 在形式上，雖然式（57）、（58）表示的交流勵磁發(fā)電機功角特性方程與傳統(tǒng)同步發(fā)電機所對應(yīng)的情況相似，但實質(zhì)上存在以下本質(zhì)差別：其一：式（57）、（58）描述的是交流勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子在任一轉(zhuǎn)速下的功角特性方程，而傳統(tǒng)同步發(fā)電機只表示其在同步速時的功角特性方程，兩者在轉(zhuǎn)速坐標(biāo)上是點和線的區(qū)別。其二，由于轉(zhuǎn)子采用交流勵磁，可以異步化穩(wěn)定運行，交流勵磁發(fā)電機的功角特性具有新的特征。給定勵磁電壓，以空載電勢表示交流勵磁發(fā)電機。由于，故式（57）還可以表示為： 式（59）表明：交流勵磁發(fā)電機在任一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時的靜態(tài)穩(wěn)定極限為，即在任一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時，其靜態(tài)穩(wěn)定極限與該轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子勵磁電流成正比。因而可以從影響的因素出發(fā)，分析交流勵磁發(fā)電機異步化運行狀態(tài)下的穩(wěn)定極限，由交流勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電壓相量基本方程式 可得轉(zhuǎn)子勵磁電流： 將定義為轉(zhuǎn)子合成勵磁電壓，并忽略，式（511）可進一步簡化為： 由此可見：轉(zhuǎn)子勵磁電流由外加勵磁電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差感應(yīng)電勢以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差共同決定。在異步化運行狀態(tài)下，外加勵磁電壓給定，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差感應(yīng)電勢可變，下面先對極端情況具體分析，然后推廣到一般情況。（1） 較滯后的情況：當(dāng)時（即在亞同步速下），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差感應(yīng)電勢超前相量，如圖52（a）所示，此時，相相位差。由式（512）可知，轉(zhuǎn)子勵磁電流減?。簳r（即超同步速下），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差感應(yīng)電勢滯后相量，如圖52（b）所示，此時，同相位，由式（512）可知，轉(zhuǎn)子勵磁電流增大。結(jié)論：在亞同步速下，定子電流的激磁起去磁作用，使轉(zhuǎn)子勵磁電流減小，靜態(tài)穩(wěn)定極限將降低；在超同步速下，定子電流的激磁起助磁作用，使轉(zhuǎn)子勵磁電流增大，靜態(tài)穩(wěn)定極限將提高。圖52 較滯后時轉(zhuǎn)子合成電壓相量圖 （2）與同相位的情況：當(dāng)時（即在亞同步速下），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差感應(yīng)電勢超前相量，如圖53（a）所示，此時，相位差；當(dāng)時（即超同步速下），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差感應(yīng)電勢滯后相量，如圖53（b）所示，此時，相位差。同時還從圖53可知，是直角三角形的直角邊，即，由式（512）可知，轉(zhuǎn)子勵磁電流有所減小。結(jié)論：在與同相位的情況下，異步化運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差感應(yīng)電勢與外加勵磁電壓正交，定子電流的激磁作用影響較小，但會使轉(zhuǎn)子勵磁電流略有減小，靜態(tài)穩(wěn)定極限將降低。圖53 與同相位時轉(zhuǎn)子合成電壓相量圖 （3）一般情況下，發(fā)電機接的是感性負載，則較滯后角，這時可將分為兩個分量，相量關(guān)系如圖54所示，與同相，與上述第三種情形相似；較滯后，與上述第一種情形相似。由于在第三種情形下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差感應(yīng)電勢與外加勵磁電壓正交，定子電流激磁作用影響較小，比較而言，則第一種情形所產(chǎn)生的影響占主要因素，故在發(fā)電機接感性負載的一般情況下，靜態(tài)穩(wěn)定極限變化的規(guī)律與第一種情況相同。圖54 較滯后角時轉(zhuǎn)子合成電壓相量圖 當(dāng)計及自動勵磁調(diào)節(jié)器，按機端電壓偏移量調(diào)節(jié)勵磁的效果相當(dāng)于維持電勢恒定，故發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定極限值等于暫態(tài)電勢為定值時所作功角特性曲線上的最大量，即：。其含義為：當(dāng)計及自動勵磁調(diào)節(jié)器的作用，按機端電壓偏移量調(diào)節(jié)勵磁時，交流勵磁發(fā)電機在任一轉(zhuǎn)速下的靜態(tài)穩(wěn)定極限值均等于。 交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性的穩(wěn)定極限仿真分析交流勵磁發(fā)電機與傳統(tǒng)的繞線式異步電機之間的差別在于其轉(zhuǎn)子繞組外接有交流勵磁電源。參照異步電機的分析方法，將轉(zhuǎn)子側(cè)的量則算到定子側(cè)，并選取轉(zhuǎn)子側(cè)為發(fā)電機慣例，定子側(cè)為發(fā)電機慣例，可以得到交流勵磁發(fā)電機的等效電路，可得到交流勵磁發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的數(shù)學(xué)模型（254）定子側(cè)輸出功率為： 式中設(shè)為參考向量，與其相差角度。消耗在定子電阻上的功率為： 因此，電機三相電磁功率為： (517) 式中：；根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機統(tǒng)一理論，異步電機、同步電機均可視作為交流勵磁發(fā)電機演變而來，他們都是交流勵磁發(fā)電機的特例。當(dāng)交流勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組不再有外來電源的限制而自行短路時，轉(zhuǎn)子的角速度決定于負載的大小，轉(zhuǎn)子中的電流頻率為轉(zhuǎn)差頻率，這時交流勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)化為異步電機。當(dāng)交流勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流頻率為零，則轉(zhuǎn)子變成了直流勵磁，不再傳送電磁功率，兩磁軸夾角由負載決定，這時交流勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的同步電機。若令（517）式中，可得： (518) 式中為定子側(cè)頻率，忽略鐵耗時式（518)即為異步電機的電磁功率表達式，具有轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定特性。若令，忽略的影響，可得 （519） 式中。式（319）即為同步電機的電磁功率表達式，具有功角穩(wěn)定特性。同時，可以看出具有功角的性質(zhì)。因此，交流勵磁發(fā)電機即具有同步電機的穩(wěn)定特性，又具有異步電機的穩(wěn)定特性。由（517）式在不同轉(zhuǎn)差率下，令，可求得當(dāng)時， 其中：；；為定子電壓所決定的磁場以的速度切割轉(zhuǎn)子繞組所產(chǎn)生的異步功率，為轉(zhuǎn)子電壓所決定的磁場以的速度切割定子繞組所產(chǎn)生的異步功率，為由定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的同步功率的最大值。圖56 交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定極限曲線圖57 不同勵磁電壓下交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定極限曲線又因為，所以當(dāng)時，取最大值，即在區(qū)間內(nèi)，交流勵磁發(fā)電機是靜態(tài)穩(wěn)定的。即為不同轉(zhuǎn)差率下交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定極限值，其曲線如圖56曲線1所示。圖56中曲線2,，3，4分別為代表、這三種功率的曲線?？梢钥闯?，交流勵磁發(fā)電機的穩(wěn)定性不但受同步功率功角穩(wěn)定性中靜態(tài)穩(wěn)定極限的限制，而且還要受到異步功率轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性中臨界轉(zhuǎn)差率的限制。但由于交流勵磁發(fā)電機工作的轉(zhuǎn)差范圍比較小，可以不考慮臨界轉(zhuǎn)差率的限制。由圖及公式可知，的數(shù)值比較小，曲線主要由、合成。工作區(qū)域內(nèi)，為斜率較大的下降曲線，超同步時為輸出功率，亞同步時為輸入功率。此結(jié)論可作如下解釋：異步電機只能工作于超同步發(fā)電和亞同步電動兩種運行方式，交流勵磁發(fā)電機由于同步功率的引入，可以工作于亞同步發(fā)電狀態(tài)，但其異步功率在亞同步時仍表現(xiàn)為輸入功率，要保證功率的輸出，同步功率就必須增加，使得功角增大，穩(wěn)定性降低。即由于異步功率的存在，使得電機工作區(qū)域內(nèi)呈下降曲線。根據(jù)同步電機穩(wěn)定性的原理，提高勵磁電壓可以提高交流勵磁發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定極限。圖57中曲線1~3分別代表為不同值時的曲線，調(diào)節(jié)。可見，交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定極限值隨勵磁電壓幅值的增加而增加。因此可以采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄕ{(diào)節(jié)的幅值使得電機在任意轉(zhuǎn)差率下具有一定的靜態(tài)穩(wěn)定極限。（1） 交流勵磁發(fā)電機即具有同步電機的功角穩(wěn)定特性，又具有異步電機的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定特性。在各個轉(zhuǎn)差點上其表現(xiàn)出同步電機的功角穩(wěn)定特性。（2） 固定勵磁時，交流勵磁發(fā)電機在不同轉(zhuǎn)差下，其靜態(tài)穩(wěn)定能力并不一樣，其靜態(tài)穩(wěn)定極限轉(zhuǎn)速下降而降低。（3） 采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢蕴岣呔涣鲃畲虐l(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定極限。本章采用自動勵磁調(diào)節(jié)器，按機端電壓偏移量調(diào)節(jié)勵磁電壓，效果相當(dāng)于維持暫態(tài)電勢恒定，交流勵磁發(fā)電機將不受轉(zhuǎn)差的影響，其靜態(tài)穩(wěn)定極限值均為。（4） 交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性的研究，為其暫態(tài)穩(wěn)定性的研究提供了基礎(chǔ)。6 交流勵磁發(fā)電機暫態(tài)穩(wěn)定性的研究 本章分析了交流勵磁發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定機理，提出了“暫態(tài)功率頻率特性”的概念。交流勵磁發(fā)電機與系統(tǒng)柔性連接，可異步化穩(wěn)定運行。由于其具有“暫態(tài)功率頻率特性”和“飛輪特性”，因而有很高的暫態(tài)穩(wěn)定性能。 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概述電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)在大擾動下的穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障后，發(fā)電機輸出的電磁有功功率減少，由于輸入發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械功率在短時間內(nèi)不變，在轉(zhuǎn)子上形成不平衡轉(zhuǎn)矩。在故障期間內(nèi)，不平衡轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子加速，因而不平衡的暫態(tài)能量是電機失穩(wěn)的原因。為了維持暫態(tài)穩(wěn)定性，發(fā)電機必須滿足：加速動能減速動能這一條件。若不能滿足該條件而出現(xiàn)臨界狀態(tài)，即為輸送功率的暫態(tài)穩(wěn)定極限（對于不同故障類型，故障前的潮流狀況等不相同時，其暫態(tài)穩(wěn)定極限也不相同）。提高暫態(tài)穩(wěn)定飛基本觀點是：減少加速動能，或者增加減速動能。常采用的相應(yīng)方法有：（1） 快速切除故障以減少加速動能，增加減速動能，提高了發(fā)電之間并列運行的穩(wěn)定性。（2） 限制切除故障后串聯(lián)電抗的增加，以增加減速動能，提高靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性。（3） 發(fā)電機的出力和輸入機械功率之間保持平衡。采用設(shè)置制動電阻和汽輪機的快速關(guān)閉汽門等措施，減少功率或能量的差額以提高暫態(tài)穩(wěn)定性。（4） 適當(dāng)控制發(fā)電機的端電壓以及系統(tǒng)電壓，以限制發(fā)電機的端電壓以及系統(tǒng)電壓的下降，提高靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性。概括來看，提高暫態(tài)穩(wěn)定性的措施主要從兩方面來考慮，即：（1） 從網(wǎng)絡(luò)或線路入手，快速切除故障線路和快速恢復(fù)供電（自動重合閘）。（2） 從發(fā)電機、原動機入手，通過勵磁控制、快關(guān)汽門，電氣制動等措施改善電源本身的特性。但是，采用電氣制動需要專門設(shè)備，增加投資；同時電氣制動的及時投入與及時退出也是需要專門探討的。由于水輪機的油動機時間常數(shù)不能過小，水錘影響又較突出，故目前借調(diào)速系統(tǒng)提高穩(wěn)定性的研究主要集中在快速關(guān)閉汽門上。采用快關(guān)汽門時，按目前技術(shù)水平，可達到的指標(biāo)大致是：，而且汽容時間常數(shù)更難減小，這個時間常數(shù)限制了快關(guān)汽門的效果。從上一章的結(jié)論可知，當(dāng)計及自動勵磁調(diào)節(jié)器，按機端電壓偏移量調(diào)節(jié)勵磁的效果相當(dāng)于維持暫態(tài)電勢恒定，故發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定極限值等于暫態(tài)電勢為定值時所作功角特性曲線上的最大值，即：。其含義為：交流勵磁發(fā)電機在任一轉(zhuǎn)速下的靜態(tài)穩(wěn)定極限值均等于