史經(jīng)奎 卜飛飛 黃文新 胡育文 李 朋

（南京航空航天大學(xué)航空電源航空科技重點實驗室 南京 210016）

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基于定子雙繞組異步發(fā)電機的交直流混合發(fā)電系統(tǒng)

史經(jīng)奎 卜飛飛 黃文新 胡育文 李 朋

（南京航空航天大學(xué)航空電源航空科技重點實驗室 南京 210016）

摘要提出了一種基于定子雙繞組異步發(fā)電機（DSWIG）的交直流混合發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)能同時輸出穩(wěn)定的變速、變頻交流電和高壓直流電。系統(tǒng)采取標量型瞬時轉(zhuǎn)差頻率控制策略。實驗采用一臺18kW的雙繞組發(fā)電機驗證了該發(fā)電方案的可行性。實驗結(jié)果顯示，該交直流混合發(fā)電系統(tǒng)能夠在1∶3的寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定恒功率運行，且具有優(yōu)秀的動、靜態(tài)品質(zhì)。例如，交流輸出電壓在突加、突卸100%額定負載時，恢復(fù)時間小于10ms，大大低于美軍標70ms的規(guī)定。初步研究成果表明，基于定子雙繞組異步發(fā)電機的交直流混合發(fā)電系統(tǒng)能夠為機載、車載等獨立電源場合提供有競爭力的解決方案。

關(guān)鍵詞：交直流混合發(fā)電系統(tǒng) 定子雙繞組異步發(fā)電機 瞬時轉(zhuǎn)差頻率控制 電力集成

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2008AA05Z411），國家自然科學(xué)基金（51277095）和航空科學(xué)基金（2012ZC52048）資助項目。

0 引言

航空電源經(jīng)歷了低壓直流電源、恒速恒頻交流電源和變速恒頻交流電源發(fā)展階段[1-5]。隨著多電及全電飛機的發(fā)展，為了適應(yīng)航空系統(tǒng)對電源品質(zhì)和容量不斷提高的要求，270V高壓直流（High Voltage Direct Current,HVDC）發(fā)電系統(tǒng)和變速變頻（Variable Speed Variable Frequency,VSVF）交流發(fā)電系統(tǒng)得到越來越多的重視[6-11]。HVDC發(fā)電系統(tǒng)重量輕、效率高、費用低且易于并聯(lián)，形成多余度供電[5-7]。美國的F-14A戰(zhàn)斗機、S-3A和P-3C反潛機等局部采用了這種供電技術(shù)，F(xiàn)-22飛機采用65kW HVDC電源作為主電源系統(tǒng)。實際上，雖然多電及全電飛機用電容量大大增加，但是其中有50%以上的負載屬于加熱除冰和照明設(shè)備，這些設(shè)備對電源頻率不是特別敏感，針對這些負載，恒頻電源系統(tǒng)并不是最優(yōu)選擇[10]。因此許多學(xué)者提出了VSVF電源方案[8-10]。作為交流電源，VSVF電源具有與恒頻電源同樣優(yōu)秀的供電質(zhì)量，但其效率高達90%以上，功率密度高，重量輕，價格低，系統(tǒng)安全可靠和維護性更好[5,8-10]，作為多電飛機的重要電源形式，已經(jīng)在波音787、空客A380上得到應(yīng)用[5]?？梢姡琀VDC和VSVF將是未來航空電源的研究重點。但是飛機僅采用高壓直流電源必將帶來用電體制的改變，影響現(xiàn)有設(shè)備的繼承性及機電產(chǎn)品的成本；如果僅采用變頻交流電源，又無法適應(yīng)某些對頻率敏感設(shè)備的要求[5]。所以，各種供電體制都有不足，而將他們有機結(jié)合起來形成多種電源形式共存的混合電源系統(tǒng)則是很好的解決方案[5,8,11]。本文提出的發(fā)電系統(tǒng)能夠兼顧HVDC和VSVF，將這兩種發(fā)電系統(tǒng)進行電力集成，實現(xiàn)直流和交流容量的靈活分配，可以很好地滿足機載、車載等對高壓直流和變頻交流電源或其混合形式的要求。

早在2002年，中國海軍工程大學(xué)馬偉明院士就提出了電力集成（Power System Integration Technique,PSIT）技術(shù)[12,13]，即將功率系統(tǒng)中的發(fā)電、配電和電能變換等模塊中的兩個或多個集成于一體，從而實現(xiàn)電力設(shè)備的高功率密度、高可靠性、高性能、高效率和低成本[12,13]。這也是本文的出發(fā)點之一。

作為獨立電源系統(tǒng)，籠型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機由于其結(jié)構(gòu)簡單、牢固、可靠，魯棒性強，成本低，能實現(xiàn)啟動/發(fā)電雙功能，動態(tài)性能優(yōu)秀和運行轉(zhuǎn)速范圍寬，帶不平衡負載能力強，且具有過載及短路能力，越來越受到人們重視[14-16]。美國NASA Lewis研究中心的專家和T.A.Lipo教授也推薦采用異步發(fā)電機作為航空用起動/發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機[17-19]。事實上，自從電力電子技術(shù)取代了原有的電容勵磁的方案后，異步發(fā)電機的動、靜態(tài)性能就得到了極大的提升[16-19]。以本文的發(fā)電系統(tǒng)為例，系統(tǒng)可以在突加、突卸額定交流負載時達到10ms以內(nèi)的動態(tài)恢復(fù)時間，低于美軍標MIL-STD-704F中70ms的要求[20]，同時具有優(yōu)秀的穩(wěn)態(tài)電壓品質(zhì)。

為了滿足航空電源發(fā)展的需求，本文提出了基于定子雙繞組異步發(fā)電機（Dual Stator Winding Induction Generator，DSWIG）的交直流混合發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用一臺雙繞組異步發(fā)電機，同時發(fā)出直流電和交流電。如圖1所示，該發(fā)電機有兩套繞組，即控制繞組和功率繞組，兩套繞組共享發(fā)電機的磁場。系統(tǒng)借助勵磁變換器能量雙向流動的特性，向直流負載提供穩(wěn)定的電磁功率，稱為直流側(cè)；系統(tǒng)通過功率繞組輸出恒壓、變頻交流電，稱為交流側(cè)。本文提出了針對該發(fā)電系統(tǒng)的瞬時轉(zhuǎn)差頻率控制策略。該控制策略不需要復(fù)雜的坐標變換、磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測，簡單、可靠、魯棒性強且動、靜態(tài)性能優(yōu)秀。

圖1　DSWIG結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of DSWIG

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及拓撲的對比分析

1.1 可能的結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)交直流混合發(fā)電的方式有多種。圖2所示是12/3相同步發(fā)電機交直流混合發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)由馬偉明教授提出[12,13]。發(fā)電機內(nèi)部設(shè)置交流繞組和整流繞組，交流繞組感應(yīng)出變頻、交流電能，供給交流負載；整流繞組通過12相整流輸出直流電能。該交直流混合發(fā)電系統(tǒng)與交直流分別供電的兩臺發(fā)電機組相比，體積、重量和工程造價都減少了40%以上[12,13]。

圖2　基于電力集成思想的同步發(fā)電機交直流混合供電系統(tǒng)Fig.2 Schematic circuit of the AC and rectified DC synchronous generator based on PSIT

但是該系統(tǒng)仍然具有同步發(fā)電機固有的問題，比如，由于勵磁繞組較大的時間常數(shù)，其動態(tài)性能不甚理想，突加（卸）規(guī)定負載時，交流電壓跌落（上升）11.04（11.8）%，電壓恢復(fù)時間為0.56（0.6）s[13]，當應(yīng)用于航空電源系統(tǒng)時，無法滿足美軍標MILSTD-704F對于航空電源動態(tài)性能的要求[20]。

圖3所示的發(fā)電系統(tǒng)采用籠型異步發(fā)電機，通過勵磁變換器一方面給發(fā)電機提供勵磁，另一方面將電能整流輸出到直流母線；通過逆變器輸出交流電能。這種方式能夠輸出恒壓、恒頻交流電能。優(yōu)點是直流電壓控制和交流電壓控制相對獨立，便于設(shè)計控制環(huán)路；運行轉(zhuǎn)速范圍較寬，能夠運行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。但是這種方式需要全功率變換，功率器件的容量較大，并且逆變器交流電壓輸出最大值受到直流電壓的限制。

圖3　全功率變換器的交直流發(fā)電方案Fig.3 AC＆DC hybrid generating system based on full power converter

圖4所示的交直流混合發(fā)電系統(tǒng)仍然采用籠型異步發(fā)電機，這種拓撲在多種文獻中提到[21-23]。一方面勵磁變換器向發(fā)電機提供勵磁，同時向負載輸出直流電能；另一方面，電抗器L和勵磁電容C構(gòu)成了LC濾波網(wǎng)絡(luò)將開關(guān)頻率濾除，輸出交流電能。與圖3所示的發(fā)電拓撲相比，勵磁變換器僅提供勵磁無功和輸出直流有功，因此其容量有所減??；但是，類似地，這種發(fā)電方式的交流電壓的最大值仍受到直流電壓輸出的限制；另外，為保證發(fā)電機的端電壓恒定，發(fā)電機僅能運行于恒功率區(qū)；為使系統(tǒng)有更好的電磁兼容性和較好的交流輸出波形，需要較大的濾波電感，這會增加系統(tǒng)的體積和重量。

圖4　普通籠型異步發(fā)電機交直流發(fā)電方案Fig.4 AC＆DC hybrid generating system based on typical squirrel cage induction generator

圖5所示的是一種新穎的交直流混合發(fā)電方式，它由日本學(xué)者T.Ahmed等人提出[24]。它通過整流橋輸出直流電能，發(fā)電機端電壓直接輸出交流電能。勵磁變換器一方面向發(fā)電機提供勵磁無功，一方面工作于有源電力濾波（Active Power Filter， APF）方式，用來消除非線性負載帶來的諧波和發(fā)電機諧波磁場在端電壓上感應(yīng)出的諧波。這種方式能減小勵磁變換器的容量，改善交流輸出電壓的波形質(zhì)量，但由于沒有對輸出的交流電壓和直流電壓引入直接的電壓閉環(huán)，可能造成系統(tǒng)的突加、卸負載的動態(tài)性能變差，并且可能在寬轉(zhuǎn)速、變負載運行的情況下，產(chǎn)生靜差。另外，系統(tǒng)的APF功能需要感值較大的濾波電感，這不利于系統(tǒng)體積和重量的減小。

圖5　APF模式下的普通籠型異步發(fā)電機交直流發(fā)電方案Fig.5 AC＆DC hybrid generating system based on squirrel cage induction generator working in the APF mode

1.2 提出的拓撲

本文提出一種新穎的交直流混合輸出的發(fā)電系統(tǒng)，如圖6所示。系統(tǒng)采用DSWIG，該發(fā)電機定子上有兩套繞組，一套繞組為控制繞組，另一套繞組為功率繞組。發(fā)電機所需要的勵磁由功率繞組側(cè)勵磁電容和控制繞組側(cè)勵磁變換器共同提供。勵磁變換器通過PWM整流方式向負載提供穩(wěn)定的HVDC電能；系統(tǒng)的功率繞組輸出恒壓VSVF交流電能。兩套繞組的極對數(shù)相同，工作頻率相同，共享發(fā)電機氣隙磁場。DSWIG從發(fā)電機本體結(jié)構(gòu)和運行、控制原理上區(qū)別于無刷雙饋發(fā)電機（定子兩套繞組工作頻率不相等）。相比無刷雙饋發(fā)電機，它具有更容易的發(fā)電機方案設(shè)計，更高的運行效率和更簡單的控制方法。

圖6　提出的基于DSWIG的交直流混合發(fā)電系統(tǒng)Fig.6 Proposed AC＆DC hybrid power supply system based on DSWIG

功率側(cè)勵磁電容一方面提供系統(tǒng)所需的勵磁無功，另一方面可以濾除交流電壓的諧波，提高輸出電壓的質(zhì)量；控制側(cè)串聯(lián)濾波電感，一方面改善發(fā)電機電流波形，提高系統(tǒng)的電磁兼容性，另一方面減小變頻系統(tǒng)dv/dt對發(fā)電機絕緣的損壞。這種發(fā)電方式有以下幾個特點：①兩套繞組只有磁的耦合，沒有電氣的連接，增加了系統(tǒng)的電磁兼容性；②兩套繞組匝比配置靈活，因此直流電壓和交流電壓等級和容量可以靈活搭配；③交流側(cè)有功功率不經(jīng)過勵磁變換器，因此有利于減小功率器件容量；④系統(tǒng)控制繞組側(cè)僅需要較小的濾波電感；⑤交流輸出側(cè)利用發(fā)電機的漏感作濾波，不需要增加額外的LC濾波器。

交流輸出電壓頻率隨轉(zhuǎn)速變化，其關(guān)系為

式中 np——發(fā)電機極對數(shù)；

nr——發(fā)電機轉(zhuǎn)速（r/min）；

fslip——轉(zhuǎn)差頻率；

f——輸出交流電壓的頻率。

2 系統(tǒng)的建模及控制策略

2.1 系統(tǒng)的建模

DSWIG的靜止坐標系下的等效電路如圖7所示。忽略激磁回路的鐵損電阻。定子側(cè)存在兩條支路，兩套繞組的互漏感為Llpc。

圖7　DSWIG定子靜止坐標下的等效電路Fig.7 The equivalent circuit of the DSWIG stator at stationary coordinate system

系統(tǒng)的電壓方程為

磁鏈方程為

其中

式中 Up,Uc,Ur——功率繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子繞組的電壓矢量；

Ip,Ic,Ir——功率繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子繞組電流矢量；

ψp,ψc,ψr——功率繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈；

Rp,Rc,Rr——功率繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子繞組電阻；

p ——微分算子。

2.2 瞬時轉(zhuǎn)差頻率控制策略原理

2.2.1 直流側(cè)電壓控制

發(fā)電系統(tǒng)的首要任務(wù)是要保證輸出電壓穩(wěn)定。在不計發(fā)電系統(tǒng)損耗的情況下，對于直流側(cè)，輸出電壓變化的根本原因是系統(tǒng)發(fā)出的電磁功率和負載實際需求的電功率不平衡。若發(fā)出的電磁功率小于負載所需的電功率，則直流側(cè)輸出電壓下降；反之則上升。

DSWIG由轉(zhuǎn)子側(cè)輸入機械功率轉(zhuǎn)化的電磁功率為

式中 Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

ωr——發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度。

由式（5）可知轉(zhuǎn)速ωr的變化和Te都可以造成電磁功率Pe的變化。但是，一般認為系統(tǒng)的電氣時間常數(shù)遠小于機械時間常數(shù)，即認為電磁轉(zhuǎn)矩Te的突變造成的發(fā)電機暫態(tài)過程是系統(tǒng)的主要矛盾，而轉(zhuǎn)速變化過程有較大的慣性環(huán)節(jié)，可以認為在發(fā)電機短暫的暫態(tài)過程中保持恒定。

若忽略變換器和發(fā)電機等損耗，則系統(tǒng)滿足功率平衡方程。即

式中 Pout——系統(tǒng)輸出的電功率，由直流側(cè)負載功率Poutdc和交流側(cè)負載功率Poutac組成，即

當直流側(cè)負載變化時，若要保持直流母線電壓恒定，需要快速的改變發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，以滿足功率平衡的要求。

穩(wěn)態(tài)時，異步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩大小與其轉(zhuǎn)差頻率息息相關(guān)。DSWIG本質(zhì)上屬于異步發(fā)電機范疇，其基本原理與異步發(fā)電機類似，因此有[25-28]

式中 Km——比例系數(shù)；

ψs——定子磁鏈；

Rr——折合后的轉(zhuǎn)子電阻?？梢?，在不大于最大轉(zhuǎn)差頻率的時候，若定子磁鏈保持恒定，則電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成近似比例關(guān)系。因此，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差頻率來調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，控制律為

為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)，增加了直流負載功率前饋項kfPout_dc。kp、ki和kf分別為PI控制器參數(shù)和前饋系數(shù)。

2.2.2 交流側(cè)電壓控制

一般地，在發(fā)電系統(tǒng)中，輸出電壓保持穩(wěn)定且系統(tǒng)能夠輸出額定功率是其重要目標。因而發(fā)電系統(tǒng)常常要工作于額定轉(zhuǎn)速以上的恒功率區(qū)。此時定子電阻的壓降相對反電動勢而言比較小，在分析時，可以將其忽略。因此，系統(tǒng)簡化的示意圖如圖8所示。圖中，Vsp和Vsc分別為定子磁鏈在功率繞組和控制繞組上感應(yīng)的電動勢，Vconv為變換器的輸出電壓，Vac為交流側(cè)的輸出電壓，k為功率繞組和控制繞組的匝比，Xc為勵磁電容的容抗，ZL為負載阻抗，X1為直流側(cè)濾波電感的電抗。

圖8　DSWIG混合發(fā)電系統(tǒng)簡化示意圖Fig.8 Simplified structure of DSWIG hybrid power supply system

DSWIG交直流混合發(fā)電系統(tǒng)的無功來源于兩個部分。一部分由功率側(cè)勵磁電容所提供；另一部分由勵磁變換器所提供。

變換器向系統(tǒng)提供的無功功率Q1為

式中 δ——Vconv電壓矢量超前Vsc電壓矢量的角度。

電容向系統(tǒng)提供的無功功率Qc為

這些無功首先滿足DSWIG的勵磁及濾波電感的需求，其次滿足交流側(cè)感性負載無功消耗的的需求。在有功功率平衡的前提下，如果系統(tǒng)提供過多的無功，則交流側(cè)電壓將會升高，反之則會降低，以滿足系統(tǒng)無功的平衡。因此，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功，就可以調(diào)節(jié)交流側(cè)的電壓。

電容所提供的無功不容易調(diào)節(jié)，而變換器提供的無功則可以連續(xù)調(diào)節(jié)。由式（10）可知，當變換器的電壓Vconv增加時，系統(tǒng)的無功會增加，則交流側(cè)電壓Vac會升高；當變換器的電壓Vconv減小時，系統(tǒng)的無功會減小，交流側(cè)電壓Vac會降低。因此，可以得到交流側(cè)電壓的控制律

與一般交流電力系統(tǒng)類似，為了保持交流側(cè)的電壓穩(wěn)定，一方面需要保持無功功率的平衡，另一方面也要保證有功功率的平衡。為了保障交流側(cè)的有功平衡，將交流側(cè)的有功功率前饋到轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)輸出。即

功率前饋結(jié)合式（9）中的PI調(diào)節(jié)器：前饋作快速調(diào)整，PI調(diào)節(jié)器作微調(diào)。這樣可以快速準確地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功平衡，滿足負載高動態(tài)的要求。

2.3 瞬時轉(zhuǎn)差頻率控制策略實現(xiàn)

系統(tǒng)的瞬時轉(zhuǎn)差頻率控制框圖如圖9所示。直流母線電壓的閉環(huán)控制是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差頻率實現(xiàn)的，即系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差頻率為

圖9　基于瞬時轉(zhuǎn)差頻率控制的系統(tǒng)控制框圖Fig.9 System control block diagram based on instantaneous slip frequency control

Poutdc和Poutac分別表示直流側(cè)和交流側(cè)實際負載功率。若不計系統(tǒng)損耗，則有

本發(fā)電系統(tǒng)運行于額定轉(zhuǎn)速以上的恒功率區(qū)。交流側(cè)電壓應(yīng)當穩(wěn)定在額定電壓，此時發(fā)電機按照額定的弱磁曲線運行。

3 實驗結(jié)果

通過實驗研究本文提出的交直流混合發(fā)電系統(tǒng)的性能。控制框圖如圖9所示。采用的DSWIG的額定功率為18kW；額定轉(zhuǎn)速為2 700r/min；發(fā)電機極對數(shù)np＝2；交流額定輸出電壓AC 380V，頻率范圍為90～270Hz，交流側(cè)功率為15kW；直流額定輸出電壓為DC 400V，直流側(cè)功率為3kW。恒功率（18kW）運行轉(zhuǎn)速范圍為2 700～8 100r/min（1∶3）。功率繞組與控制繞組匝比k＝2，直流側(cè)濾波電感為0.5mH。勵磁變換器由Mitsubishi IPM模塊構(gòu)成，開關(guān)頻率為10kHz。處理器采用Freescale MC56F8346 DSP，系統(tǒng)控制周期為100μs。實驗內(nèi)容主要包括建壓關(guān)機實驗、穩(wěn)態(tài)性能實驗和動態(tài)性能實驗。

3.1 系統(tǒng)建壓和關(guān)機實驗

圖10為系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速為2 700r/min時的建壓關(guān)機實驗波形。為使系統(tǒng)建壓關(guān)機過程電壓、電流無沖擊，母線電壓采用斜坡給定方式，初始狀態(tài)母線電壓為蓄電池電壓（24V），控制勵磁變換器使得發(fā)電機旋轉(zhuǎn)磁場頻率逐漸低于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率，發(fā)電機進入超同步發(fā)電狀態(tài)，直流母線電壓開始斜坡上升，直到400V最終電壓給定。建壓過程中，交流輸出電壓和控制側(cè)繞組電流與直流母線電壓同步上升，在約2s內(nèi)系統(tǒng)完成建壓。類似地，系統(tǒng)關(guān)機過程也采用了斜坡給定方式。由圖10可見，系統(tǒng)可以可靠完成建壓關(guān)機任務(wù)，且電壓、電流均無沖擊和超調(diào)。

圖10　系統(tǒng)建壓關(guān)機實驗結(jié)果Fig.10 The voltage start-up and close-down experiment results

3.2 穩(wěn)態(tài)特性實驗

圖11和圖12為發(fā)電機分別穩(wěn)定運行于3 000r/min和7 500r/min時實驗波形。這兩種工況分別對應(yīng)于低速段和高速段。

圖11　3 000r/min 穩(wěn)態(tài)運行實驗波形Fig.11 Experimental waveforms of steady operation at the speed of 3 000r/min

圖12　7 496r/min穩(wěn)態(tài)運行實驗波形Fig.12 Experimental waveforms of steady operation at the speed of 7 496r/min

圖11a為轉(zhuǎn)速3 000r/min時空載實驗波形，直流輸出電壓為398V，誤差在0.5%以內(nèi)，三相交流輸出線電壓有效值約為383V，誤差在0.8%以內(nèi)。FFT分析結(jié)果表明交流輸出電壓的THD約1.2%。圖11b為額定負載（交流側(cè)15kW，直流側(cè)3kW）時的實驗結(jié)果，直流輸出電壓為399V，直流輸出電流約為7.5A，交流輸出三相線電壓幅值和空載一致，輸出線電流幅值約為33A（有效值約為23A），交流輸出電壓的THD約為1.2%。圖12a和圖12b分別為轉(zhuǎn)速7 496r/min時空載和額定負載運行實驗波形，實驗結(jié)果表明在高轉(zhuǎn)速區(qū)系統(tǒng)同樣具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。

3.3 動態(tài)特性實驗

動態(tài)特性實驗分為三部分，分別是交流側(cè)突加突卸100%額定負載實驗、直流側(cè)突加、突卸100%額定負載和變速運行實驗。

針對前兩部分實驗，本文給出轉(zhuǎn)速在5 000r/min（中速段）時交流側(cè)和直流側(cè)突加、突卸額定負載時的實驗波形（事實上，系統(tǒng)在整個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)都具有類似的動態(tài)性能）。圖13a為直流側(cè)空載，交流側(cè)突加額定負載（15kW）實驗波形。突加負載瞬間，線電流迅速增加到33A（幅值）；線電壓波形未出現(xiàn)較大沖擊和畸變，且能夠在10ms內(nèi)恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)水平。圖13b為直流側(cè)空載，交流側(cè)由額定負載運行狀態(tài)突卸至空載的實驗波形，突卸負載瞬間線電壓未出現(xiàn)過大沖擊，且能夠在10ms內(nèi)恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)水平。圖14a為交流側(cè)空載時，直流側(cè)突加額定負載（3kW）實驗波形，突加負載后，直流電壓最大跌落約4.5%，且能夠在20ms左右恢復(fù)；圖14b為交流側(cè)空載時，直流側(cè)由額定負載狀態(tài)突卸至空載實驗波形，直流電壓最大上升約4.3%，且能夠在20ms左右恢復(fù)。直流側(cè)突加、突卸額定負載對交流側(cè)電壓波形影響并不十分明顯。

圖13　5 000r/min時交流側(cè)突加、突卸100%額定負載實驗結(jié)果Fig.13 Step change of 100% load of the AC output experimental results at the speed of 5 000r/min

圖14　5 005r/min時直流側(cè)突加突卸100%額定負載實驗結(jié)果Fig.14 Step change of 100% load of the DC output experimental results at the speed of 5 005r/min

圖15為系統(tǒng)在4 500r/min滿載穩(wěn)定運行時，用變頻器拖動原動機在1s內(nèi)由4 500r/min斜坡升到5 500r/min實驗波形?？梢姡l(fā)電機轉(zhuǎn)速急劇變化時，交流側(cè)輸出電壓和直流母線電壓均能保持穩(wěn)定。

圖15　1s內(nèi)轉(zhuǎn)速由4 500r/min升到5 500r/min時系統(tǒng)運行實驗結(jié)果Fig.15 Experimental results of the system with the rotate speed form 4 500r/min to 5 500r/min in one second

3.4 系統(tǒng)總體性能指標

考察整個轉(zhuǎn)速區(qū)間和負載區(qū)間，得到性能指標數(shù)據(jù)見表1。

表1　系統(tǒng)主要性能指標Tab.1 The main performance index of the system

4 結(jié)論

本文提出了基于DSWIG的交直流混合發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計了該發(fā)電系統(tǒng)的控制策略，通過實驗驗證了這種發(fā)電拓撲結(jié)構(gòu)的可行性。

實驗證明，該發(fā)電系統(tǒng)能夠在1∶3的寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定恒功率運行；且具有優(yōu)秀的動、靜態(tài)性能。突加、突卸100%額定負載時，直流電壓瞬態(tài)調(diào)整率小于5%，動態(tài)恢復(fù)時間小于25ms，交流電壓瞬態(tài)調(diào)整率小于7%，動態(tài)恢復(fù)時間小于10ms。本文的研究表明，該發(fā)電系統(tǒng)可以應(yīng)用于航空、艦載和車輛等對電源品質(zhì)要求較高的獨立電源場合。

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史經(jīng)奎 男，1987年生，碩士，研究方向為電力電子與電力傳動。

E-mail:sjk909@126.cm（通信作者）

黃文新 男，1966年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電機及其控制。

E-mail:huangwx@nuaa.edu.cn

AC＆DC Hybrid Power Supply System Based on Dual Stator-Winding Induction Generator

Shi Jingkui Bu Feifei Huang Wenxin Hu Yuwen Li Peng
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China）

AbstractIn this paper,an AC＆DC hybrid power supply system based on dual stator winding induction generator（DSWIG）is proposed.AC and DC power with variable frequency can be generated at the same time by this system.The instantaneous slip frequency based control is adopted here.Experiment on an 18kW DSWIG has been implemented to validate the proposed power supply system.The result shows that this system could operate with wide speed range of 1:3 in the constant power zone with excellent dynamic and steady state performances.Typical features include that the recovery time is less than 10ms when 100% rated AC load is suddenly applied and removed,which is less than the American Military Standard of 70ms.The preliminary achievements indicate that this AC＆DC hybrid power supply system is a competitive solution for the airborne,automotive and other independent power supply applications.

Keywords：AC＆DC hybrid power supply system,dual stator winding induction generator,instantaneous slip frequency based control,power system integration technique

作者簡介

收稿日期2014-01-05 改稿日期 2014-03-10

中圖分類號：TM361