矢量控制異步發電機對輸出功率的響應分析

袁同軍，丁長健

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矢量控制異步發電機對輸出功率的響應分析

袁同軍，丁長健

（中海油能源發展股份有限公司，天津300000）

建立繞線式異步電機矢量控制變速恒頻發電系統的分析模型，研究該系統對輸出功率的動態響應特性。通過理論推導，在MATLAB中編寫S-Function建立繞線式異步電機矢量控制變速恒頻發電系統數學模型。并結合具體參數算例分析輸出功率動態調節情況下的系統動態響應波形，表明矢量控制的有效性及控制模型合理性。

矢量控制 異步發電機

0 引言

矢量控制技術最早由德國學者Blaschke等人提出[1]，其本質是一種解耦控制。異步電機的矢量控制就是以電機空間磁場矢量的方向作為一個基準方向，建立坐標系，通過相應的坐標變化及數學運算，將異步電機的定子電流分解為方向相互垂直的勵磁電流分量和轉矩電流分量，可以實現對異步電機的磁通和轉矩的分別控制[2-4]。

本文根據矢量控制原理，建立繞線式異步電機變速恒頻發電系統的矢量控制分析模型，接著在MATLAB中利用S-Function構建相應的仿真模型，并對仿真中輸出功率動態調節情況下的系統動態響應情況進行分析。

1 異步電機變速恒頻發電原理

繞線式異步電機變速恒頻發電運行的基本原理是：在轉子繞組內通入轉差頻率的、幅值和相位可調的交流電流，控制定子輸出電壓的頻率、幅值和相位與電網嚴格一致，并有效控制電機的輸出功率和功率因數。利用矢量控制技術，可實現機電之間的充分解耦，使原動機轉速不受發電機輸出（電網）頻率的限制，同時，發電機輸出電壓（或電流）的頻率、幅值、相位也不受轉子速度和瞬時位置的影響，變傳統的剛性約束為柔性聯系[5]。

2 繞線式異步電機矢量控制模型

首先建立繞線式異步電機矢量控制變速恒頻發電系統的分析模型。為簡化分析，討論直接在同步速參照系內進行，并假定定子側正方向服從發電機慣例，而轉子側服從電動機慣例，電機氣隙均勻，定、轉子三相對稱，Y連接。

可得，電機的磁鏈方程和電壓方程為：

此外，由一般化公式，電機的電磁轉矩T和轉子運動方程為

式中，T為原動機驅動轉矩。

取q軸與定子電壓綜合矢量U重合，即給定矢量控制約束條件為：

u=0,u=U

式中，U為定子電壓(電網電壓)幅值。由此，可繪出電機在同步速參照系中的矢量圖及其與三相靜止坐標系的關系，如圖1所示。

于是，當定子輸出功率和功率因數一定時，參照上圖1，可以將定子電流指令值(右上角加“*”表示)的d、q軸分量表示為：

式中，1為定子輸出功率。

利用以上電機磁鏈方程和電壓方程，以及指令表達式，令微分算子為零，可解得轉子d、q軸電流和電壓的穩態值(亦即控制指令值)分別為：

由此可知，當電網電壓和頻率一定后，嚴格以轉差頻率交變的轉子電流只是定子功率因數和定子輸出功率(亦即定子電流)的函數，而據此控制轉子電流或電壓，也就可以簡單而有效地控制給定的定子電流和給定的定子電壓的幅值和相位，并調節電機的輸出功率和功率因數。

利用Taylor展開法，仿線性化模型的一般化建模過程，可得轉子電壓的動態控制方程：

式中，各狀態變量的增量統一定義為

設實施動態調控前電機以速度ω0穩態運行，定子電壓、頻率、輸出功率和功率因數分別為U0、10、10和cos則初始條件可由如下式子確定：

根據上述繞線式異步電機矢量控制變速恒頻發電系統數學模型，在MATLAB中編寫S-Function。

3 系統動態響應分析實例

建模所用三相繞線式異步發電機參數如表1所示，轉子由VVVF理想正弦波電源供電，以簡化分析計算程序。

表1 三相繞線式異步發電機參數表

3.1 建模

輸出功率P1由1.5 kW→1.8 kW→1.5 kW→1.2 kW→1.5 kW的動態調節過程（期間，、s保持為額定值）。指定各次跳變的時間為0.1 s、0.3 s、0.5 s、0.7 s。

所用仿真模型框圖如圖2所示。

圖2 變定子輸出功率P1時仿真框圖

得到輸出結果如圖3所示。

圖3 定子輸出功率P1從1.5 kW→1.8 kW→1.5 kW→1.2 kW→1.5 kW的動態調節過程

3.2 結果分析

觀察圖3，雖然定子輸出功率和功率因數的瞬間調節幅度都比較大，但由此引起的電磁擾動卻并不顯著，動態調節和跟蹤控制過程時間均比較短，變化也比較平緩，這實際上說明了矢量控制的有效性。而整個調節過程中速度的變化甚微，幾乎沒有影響，進一步表明機電之間的解耦是比較成功的，控制模型是合理的。

4 結論

本文在MATLAB/Simulink環境下采用矢量控制技術對繞線式異步電機變速恒頻發電系統進行了仿真，分析了在輸出功率變化情況下系統的動態響應性能，仿真結果表明，該繞線式異步電機矢量控制變速恒頻發電系統分析模型可充分實現異步電機機電之間的解耦，可有效應用于系統動態響應特性分析。

[1] 張春喜, 廖文建, 王佳子. 異步電機SVPWM矢量控制仿真分析[J]. 電機與控制學報, 2008, 12(3): 160-163.

[2] 石嚴, 芻議. 異步電動機轉子磁場定向矢量控制系統[J]. Science & Technology Information, 2009, 3(1): 525.

[3] 曹先慶, 朱建光, 唐任遠. 基于模糊神經網絡的永磁同步電機矢量控制系統[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(1): 137-141.

[4] 楊圣蓉, 王劍平, 張果. 基于SVPWM的異步電機矢量控制及調節器設計實現[J]. 電氣自動化, 2015, 37(1): 17-20.

[5] 辜承林. 機電動力系統分析[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 1998.

Response of Vector Controlled Asychronous Generator to Output Power

Yuan Tongjun, Ding Changjing

（1. CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin300000, China）

TP391.9

A

1003-4862（2017）04-0047-03

2016-12-26

袁同軍（1971-），男，工學學士。研究方向：船舶機電工程。