史经奎;卜飞飞;黄文新;胡育文;李朋
【摘 要】提出了一种基于定子双绕组异步发电机(DSWIG)的交直流混合发电系统.该发电系统能同时输出稳定的变速、变频交流电和高压直流电.系统采取标量型瞬时转差频率控制策略.实验采用一台18kW的双绕组发电机验证了该发电方案的可行性.实验结果显示,该交直流混合发电系统能够在1∶3的宽转速范围内稳定恒功率运行,且具有优秀的动、静态品质.例如,交流输出电压在突加、突卸100％额定负载时,恢复时间小于10ms,大大低于美军标70ms的规定.初步研究成果表明,基于定子双绕组异步发电机的交直流混合发电系统能够为机载、车载等独立电源场合提供有竞争力的解决方案. 【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2016(031)002
【总页数】9页(P38-46)
【关键词】交直流混合发电系统;定子双绕组异步发电机;瞬时转差频率控制;电力集成
【作 者】史经奎;卜飞飞;黄文新;胡育文;李朋
【作者单位】南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016;南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016;南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016;南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016;南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016
【正文语种】中 文
【中图分类】TM361
国家高技术研究发展计划（863计划）（2008AA05Z411），国家自然科学基金（51277095）和航空科学基金（2012ZC52048）资助项目。
航空电源经历了低压直流电源、恒速恒频交流电源和变速恒频交流电源发展阶段[1-5]。随着多电及全电飞机的发展，为了适应航空系统对电源品质和容量不断提高的要求，270V高压直流（High Voltage Direct Current,HVDC）发电系统和变速变频（Variable Speed Variable Frequency,VSVF）交流发电系统得到越来越多的重视[6-11]。HVDC发电系统重
量轻、效率高、费用低且易于并联，形成多余度供电[5-7]。美国的F-14A战斗机、S-3A和P-3C反潜机等局部采用了这种供电技术，F-22飞机采用65kW HVDC电源作为主电源系统。实际上，虽然多电及全电飞机用电容量大大增加，但是其中有50%以上的负载属于加热除冰和照明设备，这些设备对电源频率不是特别敏感，针对这些负载，恒频电源系统并不是最优选择[10]。因此许多学者提出了VSVF电源方案[8-10]。作为交流电源，VSVF电源具有与恒频电源同样优秀的供电质量，但其效率高达90%以上，功率密度高，重量轻，价格低，系统安全可靠和维护性更好[5,8-10]，作为多电飞机的重要电源形式，已经在波音787、空客A380上得到应用[5]。可见，HVDC和VSVF将是未来航空电源的研究重点。但是飞机仅采用高压直流电源必将带来用电体制的改变，影响现有设备的继承性及机电产品的成本；如果仅采用变频交流电源，又无法适应某些对频率敏感设备的要求[5]。所以，各种供电体制都有不足，而将他们有机结合起来形成多种电源形式共存的混合电源系统则是很好的解决方案[5,8,11]。本文提出的发电系统能够兼顾HVDC和VSVF，将这两种发电系统进行电力集成，实现直流和交流容量的灵活分配，可以很好地满足机载、车载等对高压直流和变频交流电源或其混合形式的要求。
早在2002年，中国海军工程大学马伟明院士就提出了电力集成（Power System Integratio
n Technique,PSIT）技术[12,13]，即将功率系统中的发电、配电和电能变换等模块中的两个或多个集成于一体，从而实现电力设备的高功率密度、高可靠性、高性能、高效率和低成本[12,13]。这也是本文的出发点之一。
线性驱动器作为独立电源系统，笼型转子异步发电机由于其结构简单、牢固、可靠，鲁棒性强，成本低，能实现启动/发电双功能，动态性能优秀和运行转速范围宽，带不平衡负载能力强，且具有过载及短路能力，越来越受到人们重视[14-16]。美国NASA Lewis研究中心的专家和T.A.Lipo教授也推荐采用异步发电机作为航空用起动/发电系统发电机[17-19]。事实上，自从电力电子技术取代了原有的电容励磁的方案后，异步发电机的动、静态性能就得到了极大的提升[16-19]。以本文的发电系统为例，系统可以在突加、突卸额定交流负载时达到10ms以内的动态恢复时间，低于美军标MIL-STD-704F中70ms的要求[20]，同时具有优秀的稳态电压品质。
为了满足航空电源发展的需求，本文提出了基于定子双绕组异步发电机（Dual Stator Winding Induction Generator，DSWIG）的交直流混合发电系统。该系统利用一台双绕组异步发电机，同时发出直流电和交流电。如图1所示，该发电机有两套绕组，即控制绕组和
功率绕组，两套绕组共享发电机的磁场。系统借助励磁变换器能量双向流动的特性，向直流负载提供稳定的电磁功率，称为直流侧；系统通过功率绕组输出恒压、变频交流电，称为交流侧。本文提出了针对该发电系统的瞬时转差频率控制策略。该控制策略不需要复杂的坐标变换、磁链和转矩观测，简单、可靠、鲁棒性强且动、静态性能优秀。
1.1 可能的结构
实现交直流混合发电的方式有多种。图2所示是12/3相同步发电机交直流混合发电系统。该发电系统由马伟明教授提出[12,13]。发电机内部设置交流绕组和整流绕组，交流绕组感应出变频、交流电能，供给交流负载；整流绕组通过12相整流输出直流电能。该交直流混合发电系统与交直流分别供电的两台发电机组相比，体积、重量和工程造价都减少了40%以上[12,13]。
但是该系统仍然具有同步发电机固有的问题，比如，由于励磁绕组较大的时间常数，其动态性能不甚理想，突加（卸）规定负载时，交流电压跌落（上升）11.04（11.8）%，电压恢复时间为0.56（0.6）s[13]，当应用于航空电源系统时，无法满足美军标MILSTD-704F对于航空电源动态性能的要求[20]。
图3所示的发电系统采用笼型异步发电机，通过励磁变换器一方面给发电机提供励磁，另一方面将电能整流输出到直流母线；通过逆变器输出交流电能。这种方式能够输出恒压、恒频交流电能。优点是直流电压控制和交流电压控制相对独立，便于设计控制环路；运行转速范围较宽，能够运行于恒转矩区和恒功率区。但是这种方式需要全功率变换，功率器件的容量较大，并且逆变器交流电压输出最大值受到直流电压的限制。
图4所示的交直流混合发电系统仍然采用笼型异步发电机，这种拓扑在多种文献中提到[21-23]。一方面励磁变换器向发电机提供励磁，同时向负载输出直流电能；另一方面，电抗器L和励磁电容C构成了LC滤波网络将开关频率滤除，输出交流电能。与图3所示的发电拓扑相比，励磁变换器仅提供励磁无功和输出直流有功，因此其容量有所减小；但是，类似地，这种发电方式的交流电压的最大值仍受到直流电压输出的限制；另外，为保证发电机的端电压恒定，发电机仅能运行于恒功率区；为使系统有更好的电磁兼容性和较好的交流输出波形，需要较大的滤波电感，这会增加系统的体积和重量。
图5所示的是一种新颖的交直流混合发电方式，它由日本学者T.Ahmed等人提出[24]。它通过整流桥输出直流电能，发电机端电压直接输出交流电能。励磁变换器一方面向发电机提
供励磁无功，一方面工作于有源电力滤波（Active Power Filter， APF）方式，用来消除非线性负载带来的谐波和发电机谐波磁场在端电压上感应出的谐波。这种方式能减小励磁变换器的容量，改善交流输出电压的波形质量，但由于没有对输出的交流电压和直流电压引入直接的电压闭环，可能造成系统的突加、卸负载的动态性能变差，并且可能在宽转速、变负载运行的情况下，产生静差。另外，系统的APF功能需要感值较大的滤波电感，这不利于系统体积和重量的减小。
1.2 提出的拓扑
本文提出一种新颖的交直流混合输出的发电系统，如图6所示。系统采用DSWIG，该发电机定子上有两套绕组，一套绕组为控制绕组，另一套绕组为功率绕组。发电机所需要的励磁由功率绕组侧励磁电容和控制绕组侧励磁变换器共同提供。励磁变换器通过PWM整流方式向负载提供稳定的HVDC电能；系统的功率绕组输出恒压VSVF交流电能。两套绕组的极对数相同，工作频率相同，共享发电机气隙磁场。DSWIG从发电机本体结构和运行、控制原理上区别于无刷双馈发电机（定子两套绕组工作频率不相等）。相比无刷双馈发电机，它具有更容易的发电机方案设计，更高的运行效率和更简单的控制方法。
举宫功率侧励磁电容一方面提供系统所需的励磁无功，另一方面可以滤除交流电压的谐波，提高输出电压的质量；控制侧串联滤波电感，一方面改善发电机电流波形，提高系统的电磁兼容性，另一方面减小变频系统dv/dt对发电机绝缘的损坏。这种发电方式有以下几个特点：①两套绕组只有磁的耦合，没有电气的连接，增加了系统的电磁兼容性；②两套绕组匝比配置灵活，因此直流电压和交流电压等级和容量可以灵活搭配；③交流侧有功功率不经过励磁变换器，因此有利于减小功率器件容量；④系统控制绕组侧仅需要较小的滤波电感；⑤交流输出侧利用发电机的漏感作滤波，不需要增加额外的LC滤波器。
无线防盗报警系统交流输出电压频率随转速变化，其关系为装饰扣
式中 np——发电机极对数；
nr——发电机转速（r/min）；
fslip——转差频率；
f——输出交流电压的频率。
2.1 系统的建模
DSWIG的静止坐标系下的等效电路如图7所示。忽略激磁回路的铁损电阻。定子侧存在两条支路，两套绕组的互漏感为Llpc。
系统的电压方程为
磁链方程为
其中
式中 Up,Uc,Ur——功率绕组、控制绕组和转子绕组的电压矢量；
Ip,Ic,Ir——功率绕组、控制绕组和转子绕组电流矢量；
ψp,ψc,ψr——功率绕组、控制绕组和转子绕组的磁链；
AR空间定位Rp,Rc,Rr——功率绕组、控制绕组和转子绕组电阻；
p ——微分算子。
2.2 瞬时转差频率控制策略原理
玻璃瓶盖
2.2.1 直流侧电压控制
发电系统的首要任务是要保证输出电压稳定。在不计发电系统损耗的情况下，对于直流侧，输出电压变化的根本原因是系统发出的电磁功率和负载实际需求的电功率不平衡。若发出的电磁功率小于负载所需的电功率，则直流侧输出电压下降；反之则上升。
DSWIG由转子侧输入机械功率转化的电磁功率为
式中 Te——电磁转矩；
ωr——发电机转子角速度。
由式（5）可知转速ωr的变化和Te都可以造成电磁功率Pe的变化。但是，一般认为系统的电气时间常数远小于机械时间常数，即认为电磁转矩Te的突变造成的发电机暂态过程是系统的主要矛盾，而转速变化过程有较大的惯性环节，可以认为在发电机短暂的暂态过程中保持恒定。
若忽略变换器和发电机等损耗，则系统满足功率平衡方程。即
式中 Pout——系统输出的电功率，由直流侧负载功率Poutdc和交流侧负载功率Poutac组成，即
当直流侧负载变化时，若要保持直流母线电压恒定，需要快速的改变发电机的电磁转矩，以满足功率平衡的要求。
稳态时，异步发电机的电磁转矩大小与其转差频率息息相关。DSWIG本质上属于异步发电机范畴，其基本原理与异步发电机类似，因此有[25-28]
式中 Km——比例系数；
ψs——定子磁链；
Rr——折合后的转子电阻。可见，在不大于最大转差频率的时候，若定子磁链保持恒定，则电磁转矩与转差频率成近似比例关系。因此，可以通过调节转差频率来调节电磁转矩，控制律为
式中,Vdc——直流侧母线电压的给定值和反馈值；
—
—调节器输出的转差频率。
为了加快系统的响应，增加了直流负载功率前馈项kfPout_dc。kp、ki和kf分别为PI控制器参数和前馈系数。
2.2.2 交流侧电压控制
一般地，在发电系统中，输出电压保持稳定且系统能够输出额定功率是其重要目标。因而发电系统常常要工作于额定转速以上的恒功率区。此时定子电阻的压降相对反电动势而言比较小，在分析时，可以将其忽略。因此，系统简化的示意图如图8所示。图中，Vsp和Vsc分别为定子磁链在功率绕组和控制绕组上感应的电动势，Vconv为变换器的输出电压，Vac为交流侧的输出电压，k为功率绕组和控制绕组的匝比，Xc为励磁电容的容抗，ZL为负载阻抗，X1为直流侧滤波电感的电抗。
