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双九相储能电机带整流负载系统降阶等效平均模型研究

双九相储能电机是一种新型多相同步发电机,主发电机数学方程高达21阶。电机经整流器向负载放电时,电机转速、输出电压与电流不断变化,电机机械动态与电磁暂态强耦合,难以用解析方法进行分析。

该文首先推导了双九相主发电机降阶等效三相电机数学模型,简化了双九相主发电机模型的复杂程度;其次,由于旋转整流器、整流器交流侧与直流侧高次谐波对系统有功功率传递和系统动态过程影响较小,忽略高次谐波,考虑交流侧基波和直流侧平均值作用的基础上推导了系统平均模型,进一步简化系统模型,提高系统仿真效率。

在Matlab/Simulink仿真环境中建立双九相储能电机带整流负载系统的降阶等效平均模型,仿真结果验证了该模型的正确性与有效性。

储能电机是一种具有大轴系惯量的储能装置,其工作原理是通过拖动电动机长时低功率将电网电能转换为机械能存储于电机高速旋转的飞轮转子中,在励磁电流作用下,通过短时快速降低转子转速将机械能转换为电能向负载释放,从而实现机械能与电能之间的能量转换[1]。

储能电机具有瞬时释放能量大、能量密度高、无环境污染、寿命长、免维护等优点,其应用领域包括电力调峰、电动汽车、UPS 电源、风力发电等[2,3]。

为突破单台电力电子变换装置容量限制,储能电机常采用多套多相隐极同步发电机作为主发电机[4-6],用同轴励磁发电机经旋转整流器整流后为主发电机提供励磁电流。

储能电机经整流器向负载快速释放电能时,其电流和电压幅值与频率同时变化,与此同时电机转速快速下降,电磁暂态与机械动态强耦合,属于典型的强非线性复杂电机系统[7-9],难以通过解析法进行分析。

另一方面,对包含双九相储能发电机的电力系统进行仿真分析时,由于主发电机数学模型高达21阶,计算量大,系统计算速度降低,特别是在进行开关保护等硬件在回路实时仿真测试[10-14]时,仿真实时性与准确性的矛盾尤为突出。

为了对双九相储能电机带整流负载系统进行深入研究,在对称负载运行的前提下,本文以等效前后功率保持不变为基本等效原则,推导出双九相主发电机的降阶等效三相电机数学模型,利用低阶三相电机模型代替高阶双九相主发电机模型,降低了主发电机模型的复杂程度,提高了系统仿真效率。

电力系统仿真软件很容易实现包含整流器等开关器件的电力系统暂态与稳态过程仿真,但由于系统中开关器件的非连续性,导致系统无法适用于小信号分析。考虑本文研究系统中旋转整流器、整流器交流侧与直流侧高次谐波对系统有功功率传递以及动态过程的影响较小,忽略高次谐波,将系统的开关模型简化为平均模型,进一步简化系统模型复杂程度。该模型可以用于大信号分析,或者线性化后用于小信号分析。

本文在Matlab/Simulink仿真环境中采用电机等效电路搭建电机模型的方法,建立了双九相主发电机降阶等效电机模型,通过可控电流源和可控电压源等模块代替旋转整流器、整流器直流侧与交流侧的耦合关系,建立系统平均模型。仿真结果验证了双九相储能电机带整流负载系统降阶等效平均模型的正确性与有效性。
双九相储能电机带整流负载系统降阶等效平均模型研究
图1  双九相储能电机带整流负载系统结构框图

结论
双九相储能电机主发电机在负载对称运行时,以降阶等效前后功率不变为原则,可以将双九相主发电机降阶等效为三相电机模型,通过对比主发电机降阶前后仿真结果,验证了降阶等效模型的有效性。

由于电机输出阻抗特性以及旋转整流器和整流器后负载特性具有滤波作用,系统中旋转整流器和整流器交流侧与直流侧高次谐波对系统有功功率传递以及系统动态过程影响较小,因此忽略高次谐波,在双九相主发电机降阶等效三相电机模型基础上,只考虑交流侧基波和直流侧平均值的作用,推导获得了系统平均模型,进一步简化了系统复杂程度,通过对比系统开关模型和平均模型仿真结果,验证了系统平均模型的有效性,同时也验证了采用等效电路建立同步发电机模型方法的有效性。该模型可推广应用到其他多相电机带整流负载系统。
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