自励异步发电机稳固控制与并网控制体系研究

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1、自励异步发电机稳固控制与并网控制体系研究第一章绪论1.1课题、背景及意义随着我国经济地快速发展，能源需求量日益剧增，现有电能供应已不能完全满足生活和工业所需。传统化石能源地大量消耗引起的能源短缺问题及能源地大量开采所带来的环境污染问题使得能源供应局势日趋严峻。风能、水能和太阳能等分布式能源具有清洁、安全等特点，符合国家制定的低碳、绿色和环保的可持续发展战略要求，对其进行有效利用可较好缓解能源供应和环境保护的双重压力。目前，可再生能源发电在各国的能源战略地位已得到了很大提髙，装机容量也有了飞跃地增长。广大偏远地区因环境恶劣，电网延伸

2、到此需要较高代价，而这些地区往往具有丰富的风能、水能和太阳能等可再生能源，故在此建立独立分布式发电系统反而变得更加的符合实际。我国《可再生能源中长期发展规划》也明确提出：在电网延伸供电不经济的地区，应因地制宜建设独立运行的小型供电系统。独立可再生能源发电系统作为现有电能供应的重要补充形势，可有效解决离网地区的电能供应问题。目前，在小型独立发电系统中，永磁同步发电机占有很大比重，其在高温、震动等环境中有失磁风险，且永磁体需要稀土材料，大规模的使用不利于环境保护。而三相鼠笼异步电机由于具有便宜、坚固、易于维护、可靠性高等优点，可较好的

3、将其应用于分布式发电系统中，同时，其在应急供电和汽车、舰船等独立供电系统中也得到了较为广泛地应用。异步电机作为自励异步发电机独立运行时，需要外部提供无功励磁才能自激发电。最简单的励磁方法就是采用电力电容器直接并接在发电机机端的方式。在发电机自身的剩磁作用下，当发电机转速与机端电容匹配时，异步发电机就可以自激建压，向负载提供电能。虽然自励异步发电机结构简单，但是其电压调节能力和带载能力较差，机端定子电压会随着负载或转速的变化而发生变动，影响了发电系统的电能质量，从而制约了异步发电机地广泛应用。因此，为了提高发电系统的电能质量，研究自

4、励异步发电机的稳压控制方法非常重要。1.2国内外研究现状异步电机作为自励异步发电机运行已有70多年的历史，由于具有操作简单、易于实现等特点，将其应用于独立分布式发电系统具有较好的社会经济效益。但是自励异步发电机带载能力较差，其机端定子电压会因负载或转速的不同而变动[1-5]，不能为用户提供高质量的电能供应，需要跟随负载或转速的变化动态补偿无功才能维持电压的稳定。由于早期异步发电机的无功补偿调压方案可操作性差，导致其研究工作进展缓慢，从而制约了异步发电机的广泛应用。直到20世纪70年代末，因能源的快速消耗及环境的曰益恶化，使得可再生

5、能源发电技术得到越来越多的关注，异步发电机也因此得到了重视。同时，电力电子技术地快速发展及多种电压调节方案和无功补偿技术地出现使得异步发电机的电压调节具有较好可行性，从而使异步发电机得到了迅速发展。目前，国内外众多学者对异步发电机进行了大量的研究工作，取得了较多的研究成果[11-13]，对异步发电机的研究工作也越来越深入。第二章自励异步发电机工作原理及电压特性分析2.1引言笼型异步发电机因具有结构简单坚固、维护量少及运行可靠性高等优点，在风力、水力等发电系统中得到了广泛使用，当其作为自励异步发电机工作在独立发电系统中时，通过在机端

6、配置与转速相匹配的电力电容器进行励磁就可成为电源。由于自励异步发电机带载能力较差，加载运行后定子电压会产生跌落，影响发电系统的电能质量。此外，发电机转速变化也会引起发电系统电压的变动，给负载供电带来不利影响。本章首先介绍了异步发电机的结构和工作原理，然后结合系统结构建立了发电系统的数学模型，最后根据发电系统模型研究了负载、转速和励磁电容对异步发电机机端电压的影响。2.2自励异步发电系统结构及工作原理自励异步发电系统结构如图2-1所示，整个系统由原动机、异步发电机、励磁电容器和负载组成。原动机用于模拟风力、水力等原动力；励磁电容用于

7、向异步发电机提供建压所需励磁电流；不同性质的负载直接并接在发电机机端。在风力、水力等原动力的驱动下，原动机拖动发电机高速旋转，当转子转速大于同步转速时，在自身剩磁和机端并联励磁电容的作用下，发电机自激建压成为电源，向负载供电。发电机自激建压过程如下：由于发电机转子上通常有剩磁磁通存在，当原动机拖动发电机高速运行时，产生旋转磁场，旋转磁场作用于发电机定子绕组，由于有相对运动，定子绕组上会感应出感应电动势，同时，由于机端并接有励磁电容，形成回路，故感应电动势作用于机端励磁电容后，会产生容性电流并作用于定子绕组，容性电流进步产生磁通，使

8、气隙磁通得到增强，从而感应出更高的电动势，发电机如此般不断的自励，直至磁路饱和，达到励磁电容阻抗与发电机空载曲线的交点C处，建压过程结束，达到稳定的工作点。其自励过程如图2-2所示。自励异步发电机带载能力较差，当励磁电容固定时，在发电机加载运行、负