基于瞬时转差频率控制的定子双绕组异步电机变频交流发电系统

卜飞飞 黄文新 胡育文 史经奎 施 凯

（南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室 南京 210016）

1 引言

随着多电/全电飞机、坦克的发展，机载、车载中的电子设备和电力作动器不断增加，并对电源系统提出了大容量、高性能等新要求。从目前的研究来看，除高压直流电源系统外，变频交流电源系统也是一个重要发展方向，如最新的大型民用客机B787 和A380 均采用了变频交流电源系统[1,2]。

在变频交流电源系统中，由于要输出正弦交流电，目前国内外主要采用同步电机作为其主发电机，对其他类型发电机则研究较少[3]。尽管同步电机在变频交流电源系统中已得到了实际应用，且技术成熟、稳态性能较好，但该发电系统也存在一些不足。例如，为实现无刷化，发电机采用了“永磁机—励磁机—主发电机”这种复杂的三级式结构；转子上装有旋转整流器，使转子结构复杂，影响系统可靠性，不宜高速运行；电机的体积重量较大；电压闭环调节包括励磁机、主发电机、电压调节器等多个环节，动态性能不理想[3-5]。

笼型异步电机因其结构简单、成本低、可靠性高、功率密度高等优点越来越成为机载、车载独立电源系统的重要选择[6]，特别是近年来随着电力电子技术的发展，三相异步电机的发电品质和性能得到了大幅提高，因而它备受青睐[7]，但这些研究主要是针对恒频交流或高压直流电源系统而开展的，未涉及变频交流电源系统。此外，在这类发电系统中，存在电力电子装置体积重量较大，给负载引入谐波等问题，这使得三相异步电机在上述领域中的应用和发展受到了一定限制[6-8]。

定子双绕组异步电机（DWIG）是21 世纪初提出的一种新型笼型异步电机，它继承了普通笼型异步电机的优点，克服了其缺点和不足，以独特结构和诸多优势受到了广泛关注[9-18]。该发电机的定子上有两套绕组，它们在电气上没有直接连接，仅通过磁场耦合，功能分开，易实现高性能控制，可直接输出变频交流或经整流输出高压直流，能变速变负载运行，且控制器容量较小。因此，它很适合应用于高性能的独立电源系统中。然而，目前对该电机的研究主要集中于高压直流电源系统[10-18]，有必要对其进行新的探索和研究。为拓展该发电机的应用范围并发挥其优势，本文提出研究DWIG 变频交流发电系统，以适应大容量、高性能机载、车载独立电源系统的供电要求和发展趋势。

DWIG的发电品质和运行性能很大程度上取决于所采用的控制策略。从现有的文献资料来看，DWIG 系统的电压调节主要是基于“调磁调压”的思想来实现的，它根据输出电压的误差，通过磁场定向或电压定向的方法，利用电流环来调节励磁电流，进而改变发电机的内部磁场，以达到稳定输出电压的目的[9-13,16-18]。由于电机励磁电感一般较大，再加上只利用了输出电压的误差，因此，这类以电流环为基础的控制策略虽可使系统在变速变负载时稳定运行，但很难实现对输出电压的快速调节。

本文基于功率平衡的思想，对DWIG 系统输出电压变化的原因进行了分析，提出了基于瞬时转差频率控制的DWIG 变频交流发电系统电压控制策略。该策略省去了复杂的坐标变换和影响动态性能的电流环，它综合考虑输出电压和输出电流二者的变化信息，利用电压矢量来控制DWIG的瞬时转差频率，以改变发电机的电磁转矩，实现系统输入输出功率平衡，从而使发电系统在不同的运行状况下都能保持良好的动静态性能。

2 DWIG 变频交流发电系统

图1 为本文所提出的DWIG 变频交流发电系统，它由原动机、DWIG、变换器、滤波器、负载等组成。该发电机的转子仍为笼型结构，其定子上布置了两套绕组，一套为三相功率绕组，接有输出滤波器，可直接为照明、加热等对频率不敏感的交流负载及整流性负载提供电能，对频率敏感的负载（如电机，电力作动器等）可通过电力电子变换器供电；另一套为三相控制绕组，接有滤波电感和变换器，采用合适的控制策略，可使该发电系统的输出电压保持稳定。两套定子绕组的极对数相同，因而它们具有相同的工作频率。同时，由于两套绕组只有磁场耦合，没有电气连接，所以变换器产生的谐波对负载的影响较小，提高了系统的电磁兼容性和效率，便于实现高性能的控制和输出高品质的电能[10-12]。在该发电系统中，除功率绕组输出变频交流电能外，控制绕组侧直流母线还可提供高压直流电能，实现交直流同时供电，易构成混合电源系统。

图1 定子双绕组异步电机变频交流发电系统框图Fig.1 The diagram of dual stator-wingding induction generator variable frequency AC generation system

3 DWIG 变频交流发电系统瞬时转差频率控制策略及实现

在发电系统中，输出电压发生变化的根本原因是系统发出的电磁功率与负载实际需求的电功率不平衡[19]，若发出的电磁功率大于所需的电功率，输出电压就会上升，反之则会下降。因此，在系统运行状况发生变化时，尤其是负载发生突变时，若能快速实现功率平衡，就可保证输出电压稳定，从而从本质上提升发电系统的动态性能。

3.1 瞬时转差频率控制方法

转速和负载的变化都会造成输出电压的变化，转速变化一般较慢，而负载变化很快，可突变。若对于剧烈的负载变化系统能保持输出电压稳定，那么相对于缓慢的转速变化则更能胜任。因此，本文着重对负载变化时输出电压的控制方法进行研究。

若不计发电系统的损耗，当系统进入发电状态后，由机械功率转化的电磁功率在任何瞬时都应与负载消耗的电功率相平衡。即有

式中Te—电磁转矩；

ωr—电机转速，由于机械时间常数远大于

电气时间常数，在分析电磁过程时，

ωr可视为常数；

Pout—负载消耗的电功率。

当负载突变时，输出电流则迅速变化，负载功率也随之变化。根据式（1），若要保持输出电压稳定且具有良好的动态性能，电磁转矩的变化应快速跟上输出功率的变化且与其保持正比，即

在异步电机中，电磁转矩的大小与其转差频率是息息相关的。若气隙磁通的幅值φm保持不变，在转差频率ωs不大于最大转差频率ωsmax的稳定运行范围内，电磁转矩与转差频率近似成正比[20-23]。

根据式（3），只有气隙磁通的幅值保持不变，上述结论才成立，这既是瞬时转差频率控制的前提，也是其限制条件[20-23]。对于发电系统，输出电压保持稳定且系统能输出额定功率是其重要目标，发电机常工作于额定转速之上的恒功率区。由于发电机输出电压的大小与气隙磁通幅值近似正成正比，因此，在恒功率区，气隙磁通幅值需随着转速的变化而变化，以进行弱磁控制，那么对于由传统异步电机或新型DWIG 构成的发电系统而言，能否采用转差频率控制？

独立电源系统的原动机为发动机，其转速经常变化，发电机的转速随之变化，气隙磁通的幅值也应相应变化。但整个系统的惯量较大，转速变化是一个机械过程，变化缓慢，时间常数较大。而发电系统控制的是输出电压和功率，是电气过程，变化迅速，时间常数很小。因此，在电气控制周期内（如100μs），转速可认为是不变的，自然气隙磁通的幅值也就不需要改变，即满足式（3）的限制条件。

上述分析可知，对于异步电机发电系统而言，由于机械时间常数远大于电气时间常数，所以随转速变化而进行的弱磁控制与瞬时转差频率控制要求的气隙磁通幅值保持恒定并不矛盾。因此，对于DWIG 变频交流发电系统中，可以采用瞬时转差频率控制。图2 给出了本文研究的DWIG 变频交流发电系统瞬时转差频率控制方法的示意图。当转速或负载发生变化，控制系统根据负载电功率的变化，迅速准确地调节转差频率的大小，以对电磁转矩进行控制，同时，还应根据转速变化合理调节气隙磁通的幅值，从而保持输出电压稳定。

图2 DWIG 变频交流发电系统瞬时转差频率 控制方法示意图Fig.2 The method of instantaneous slip frequency control for DWIG variable frequency AC system

3.2 瞬时转差频率控制的实现

瞬时转差频率控制的关键是系统运行于不同工况时转差频率和气隙磁通的合理调节。若在异步电机调速系统中，可以通过控制所施加在定子绕组上的电压频率和幅值来实现。但对于DWIG 变频交流发电系统，三相变频交流电压直接从DWIG的功率绕组输出，这样调速系统中的实现方法就不再适用，那么在该发电系统中如何实现瞬时转差频率控制是一个新颖而现实的问题。

DWIG 有两套定子绕组，一套为功率绕组，用来输出电能，另一套为控制绕组，接有电力电子变换器，用来对发电系统进行控制。这两套绕组具有相同的极对数且匝链同一磁场，通过改变控制绕组磁通即可调节功率绕组的磁通[10-18]。此外。对于电感而言，它的电流不可突变，但电压却可以。因此，在DWIG 变频交流发电系统中，利用变换器来调节施加在控制绕组上的电压频率和幅值，从而实现对转差频率的快速调节和功率绕组磁通的合理控制。

3.2.1 变换器输出电压频率的确定

由式（2）和式（3）可知，当负载突变，为了保证输出电压调节的快速性，应根据负载功率的大小迅速调节转差频率，本文采用了P 调节器作为瞬时转差频率前馈控制。控制侧直流母线电压稳定是变换器正常工作的必要条件，为克服变换器等器件损耗所造成的直流母线电压的变化，直流母线电压的误差也用来调节转差频率，采用的是PI 调节器。因此，转差频率的给定可由下式来表示

式中，P(x)=kpx；PI(x,y)=kp(x-y)+ki∫(x-y)dt；

Pout—实际负载功率，可由功率侧三相电压和电流瞬时值的乘积得到，即Pout=upaipa+upbipb+upcipc。

当气隙磁场转速低于转子转速且同向旋转时，异步电机工作在发电状态。所以，转子转速减去转差频率即可得到变换器应输出电压的频率ω*，即

3.2.2 变换器输出电压幅值的确定

因此，从提高学生的学习兴趣和学习能力入手，整合信息化教学手段，是提高课堂教学效果的最佳途径和方法，同时在实施过程中也面临着诸多困难与挑战。现代信息化手段如何与课堂教学完美融合来提升教学效果，进而提高专业人才培养质量，必将是教师工作者努力探索的方向和目标。

由于本发电系统工作在额定转速之上的恒功率区，根据异步电机基本原理，变换器输出电压的幅值应保持恒定以实现弱磁控制，但考虑到损耗、计算误差、发电机漏感及控制侧滤波电感上的压降等因素对输出电压调节精度的影响，输出电压的误差也用来对变换器输出电压的幅值进行调节，故变换器输出电压幅值的给定值V*可表示为

式中，V是根据两套绕组之间的匝比关系N而确定的变换器输出电压幅值的基础值，即。

3.2.3 变换器输出电压的调制策略

当变换器输出电压的频率和幅值确定后，再利用合适的调制策略产生控制信号去驱动变换器，即可得到相对应的输出电压，通常采用的调制策略有正弦波脉宽调制（SPWM）和空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）。

基于上述分析，给出了DWIG 变频交流发电系统瞬时转差频率控制策略框图，如图3 所示。

4 实验验证

根据图 3 所示的控制策略框图，研制了一台15kW 车载取力DWIG 变频交流发电系统，并进行了一系列实验验证，主要包括系统建压和关机实验，静态和动态运行实验以及变速运行实验。变换器由Mitsubish IPM 模块构成，处理器选择的是Freescale公司的MC56F8346 DSP，系统控制周期为100μs，调制策略为SPWM。发电机由1∶3的增速齿轮箱拖动，转速范围为2 700～8 100r/min。发电机转速由测速传感器获得。输出滤波器由LC 组成，负载 为三相对称阻性负载。控制侧直流母线电容为1 100μF/DC 500V，控制侧滤波电感为0.75mH，蓄电池电压为24V。该发电系统的其他主要参数如下：发电机极对数为2；额定功率为15kW；额定转速为2 700r/min；转速范围为1∶3；额定输出电压为AC 380V（90～270Hz）；控制侧直流母线电压为 DC 400V。功率绕组与控制绕组匝数比N=2∶1。

图3 DWIG 变频交流发电系统瞬时转差频率控制策略框图Fig.3 The diagram of instantaneous slip frequency control strategy for DWIG variable frequency AC system

4.1 系统建压和关机实验

能否成功建压是整个系统运行的基础和前提，本发电系统建压由开环和闭环两个阶段完成，首先是开环建压，采用SPWM调制策略对变换器进行控制，由安装在控制侧的24V蓄电池通过变换器产生一个频率低于转子转速的电压，为发电机提供初始励磁无功，DWIG立即进入超同步发电状态，控制侧直流母线电压上升，当其上升到闭环设定值时，系统切换到图3所示闭环控制进行闭环建压，为了避免冲击，保证建压成功，电压给定值按斜坡方式逐步上升，这样功率绕组输出的三相变频交流电压和控制侧直流母线电压随之上升至给定值，系统建压结束。类似地，为保证系统可靠关机，斜坡给定方式也应用于关机过程中。图4给出了系统在额定转速2 700r/min时空载建压和关机实验波形，可见，该发 电系统能成功可靠地建压和关机，各电流、电压均无冲击和超调。

图4 转速为2 700r/min时系统建压和关机实验结果Fig.4 Experimental results for the voltage setup and closedown at the speed of 2 700r/min

4.2 稳态运行实验

图5 和图6 为DWIG 变频交流发电系统在瞬时转差频率控制下的稳态运行实验结果。

图5 转速为3 000r/min时稳态实验结果Fig.5 Experimental results for the steady state at the speed of 3 000r/min

图6 转速为7 500r/min时稳态实验结果Fig.6 Experimental results for the steady state at the speed of 7 500r/min

4.3 动态运行实验

当系统在3 000r/min 运行时，负载功率由空载突加至满载 15kW，输出电流的幅值由零突增至32A，功率绕组输出的三相交流电压未出现较大冲击和畸变，恢复时间约为8ms，实验波形如图7a 所示。待系统运行稳定后，再由满载突卸至空载，实验波形见图7b，输出电压的变化较小，且能快速恢复至稳定状态，恢复时间约为9ms。

图7 转速为3 000r/min时突加突卸满载实验结果Fig.7 Experimental results for the step change of full load at the speed of 3 000r/min

为进一步验证该发电系统的动态性能，按同样的实验方法，在其他转速下也进行突加和突卸满载实验，输出电压波形较好，恢复时间均小于10ms，表现出良好的动态性能，由于实验结果与图7 类似，这里不再一一给出。值得一提的是，在突加和突卸满载实验过程中，控制侧直流母线的电压同样具有良好的动态性能，这为下一步研究交直流同时供电的DWIG 混合发电系统奠定了基础。

4.4 变速运行实验

在发电系统中，转速变化同样会造成输出电压的变化。为了说明能在负载突变时具有良好动态性能的瞬时转差频率控制同样能在转速变化时保持系统输出电压稳定，对转速变化时系统运行情况进行了实验研究。当系统在4 500r/min 满载稳定运行时，发电机转速在 1s 内迅速从 4 500r/min 上升至5 500r/min，三相输出交流电压和控制侧直流母线都能保持稳定，系统运行情况良好，实验波形如图8所示，这与3.1 节的分析是一致的，进一步说明了瞬时转差频率控制策略的正确性和有效性。

图8 转速1s内从4 500 r/min增加到5 500r/min的实验结果Fig.8 Experimental results for the system with the speed rapidly increasing from 4 500 r/min to 5 500r/min within 1s

5 结论

本文对定子双绕组异步电机变频交流发电系统进行了研究，根据功率平衡的思想和瞬时转差频率控制的基本原理，提出了基于转差频率控制的DWIG 变频交流发电系统电压控制策略。该控制策略综合考虑了输出电压和输出电流二者的变化信息，利用电压矢量去调节发电机的瞬时转差频率，进而改变电磁转矩，保证输出电压稳定，它的物理概念清楚，结构简单，无需复杂的坐标变换和影响动态性能的电流环。该发电系统能在1∶3的宽转速范围内稳定运行，且具有良好的动静态性能，动态恢复时间小于10ms，可大大提高机载、车载电源系统的供电品质和性能，为高性能电子设备和武器装备的正常运行提供电源保障。

本文研究表明，DWIG 变频交流发电系统的进一步研究和发展可为大容量、高性能独立电源系统提供一个有竞争力的方案。

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