笼型异步发电机系统电压与频率稳定控制的新方法研究

利用可再生能源，开发中小型分散式电源系统是满足电力需求的持续增长，解决环境问题的重要手段。近年来，随着我国电气化事业的推进，小水电和风电得到了很大发展，在提高农村电气化水平、减排温室气体以及电力系统灾害应急等方面发挥了重要作用。笼型异步发电机由于简单，坚固，价廉等优点而备受关注；其缺点是原动机转速变化或负载阻抗改变时难以维持电压与频率的稳定。 本项目围绕笼型异步发电机系统独立运行时的稳定性问题展开研究，主要研究内容包括：1、异步发电机独立运行的稳定性分析；本项目建立了电容自励条件下异步发电机的稳暂态电气模型，分析了负载阻抗，电机转速，自励电容及定子端电压之间的量化关系。分析了负载跃变时电压衰减的动态过程，重点解决了负载变化时异步电机避免消磁的端电压临界条件。 2、MERS ( Magnetic Energy Recovery Switch) 并联无功补偿控制方法研究。本项目研究了MERS的结构拓扑组，提出了半桥和全桥结构的SVC-MERS，研究其工作原理，提出了相位角控制以及波形直接控制方法，进行了仿真和实验验证。同时，建立电气数学模型，分析其补偿性能，包括无功补偿范围，谐波特性等。最终提出了MERS优化控制以及参数设计方法。再次，提出了平衡/不平衡负载条件下基于MERS的异步电机稳定控制方法，并进行了仿真和实验验证。3、基于飞轮电力缓冲器的频率控制方法研究。本项目提出了飞轮电力缓冲器的基本概念，明确了其稳态和暂态运行机理，揭示了系统频率控制目标和飞轮装置自身设计参数之间的量化关系。实验验证了频率瞬变情况下飞轮电力缓冲器的有功输出响应以及电压瞬变时飞轮电力缓冲器的无功输出响应。 通过本项目的研究，阐明了负载变化时异步发电机的电压稳暂态变化过程，提出了基于MERS并联无功补偿的电压控制方法，以及基于飞轮电力缓冲器的频率控制方法，建立起简单可靠且性能优良的中小型分散式发电系统运行模式。研究成果可为分散式电源系统的电能质量控制、异步发电机的稳定运行提供理论指导。

随着小水电，风电等新能源的开发和中小型分散电源系统的发展，笼型异步发电机由于简单，坚固，价廉等优点而备受关注；其缺点是转速或负载变化时难以维持电压/频率的稳定。因此，迫切需要一种简单可靠且性能优良的方法来实现电压/频率控制，提高带载能力。本项目首先从异步发电机的稳暂态模型出发，结合无功补偿的动态过程，重点突破其自身参数对电压暂态的作用机理和影响规律，形成对无功补偿方法在补偿容量，响应速度，控制精度等方面的性能要求；其次，提出一种新型的无功补偿方法-并联型MERS（磁能回复开关），从建模分析，控制策略，参数设计三个方面建立起并联型MERS控制理论，进而提出其对异步发电机系统中各种复杂负载情况的电压控制方法；再次，研究异步发电机系统频率波动的产生机理和作用因素，突破暂态频率偏移对电压的耦合影响和量化分析，并提出基于飞轮储能的电力缓冲器来平衡负载，稳定频率。以上方法实用可靠，具有广阔的应用前景。

图1所示为这种稳速系统的原理图。给定频率和转速反馈频率都先通过频率电压变换器(f/N)变换成电压信号，再输入调节器对电动机转速进行控制。由于两个频率电压变换器的漂移在一定程度上可以互相补偿，其稳速精度略高于用测速发电机反馈的模拟控制，一般可达0.1%。常用的频率电压变换器有饱和变压器、电容充放电电路、计数限幅电路等 。

频率控制，又称频率调整，是使输出信号频率与给定频率保持确定关系的自动控制方法。频率控制是电力系统中维持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保证电力系统的频率稳定。电力系统频率调整的主要方法是调整发电功率和进行负荷管理。按照调整范围和调节能力的不同，频率调整可分为一次调频、二次调频和三次调频。电力系统频率调整也是电力市场的重要组成部分。