D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.07.04 第31卷第7期 北京科技大学学报 Vol.31 No.7 2009年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2009 大容量超高速双馈电机调速系统的仿真分析及研制 解仑王志良 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要提出一种应用于大容量超高速(4000kW/3600rmin)双馈变频调速控制方法，研制出相应的实际控制系统.根据 系统中负载电机、大功率变流器和工程化矢量空间计算的离散数学模型，以PSIM6.0的SIMCAD环境为开发平台，建立起双 馈电机变频调速矢量控制系统算法仿真平台，计算出相关的仿真结果，并以此为基础设计、研制出实际应用控制系统，6500 MW冲击发电机机组实验运行结果表明，系统电流响应超调量小，激磁和转矩分量解耦，动态过程磁链平滑，验证了系统仿真 模型的有效性·该控制系统具备与直流传动系统相同的优越动、静态品质· 关键词变频；矢量空间；变流器：离散数学模型：发电机机组 分类号TM344.4 Simulation analysis and development of speed adjusting systems in high-power su- per high-speed doubly-fed induction machines XIE Lun,WA NG Zhi-liang School of Information Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT An approach of high-power super high-speed doublyfed variable frequency drive and its application system were pre- sented.Based on a discrete mathematical model of doubly-fed induction machines.high capacity convertors,and engineering vector space computation,an algorithm simulation platform was constructed in SIMCAD of PSIM6.0.The application system of a 6500 MW shock generator was set up on the basis of the simulation results.Its experiment results showed that the current's overshooting was small,the exciting component and torque component were independent.and the dynamic flux was smooth.The simulation and experiment results are in agreement demonstrating the validity of the model.It is also found that the static and dynamic performances of the application system are similar to those of DC drives. KEY WORDS variable frequency:vector space:convertor:discrete model:generators 在美国、日本及东南亚等国家中，其公共电网频 品的大容量实验在性能测试方面与60业还是存在 率都为60业·在该频率下，大容量高压电器设备的 较大差异，因此60Hz大容量实验系统的研制已成 短路实验等性能的测试，是其实际应用成败的核心 为高压电器的发展方向，在工程应用中发挥着越来 问题，同时，在国外，如意大利CESI、荷兰KEMA 越重要的作用，也是本行业所要解决的重大应用问 等著名的高压电器生产及检测机构都具备60出产 题21. 品大容量短路试验生产能力山. 由50出上升到60z的大功率实验用电源有 随着中国电力工业的不断发展，国内众多生产 以下几种解决办法：交一直一交变频、直流电机传 厂家有大量出口60z高压电器产品的需要；目前， 动、交流电机变极数(10：12)及双馈变频传动等.其 我国的高压电器大容量实验都是基于50五，国内大 中双馈传动具有较多的优越性，尤其是其价格仅为 容量实验基地不具备此项实验能力，因为50比产 同容量交流传动的20%. 收稿日期：2008-10-18 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(No.2007AA04z218):国家自然科学基金资助项目(Na.60573059) 作者简介：解仑(968一)，男，副教授，博士，E-mail:ygao@mal.tsinghua.edu:cm
大容量超高速双馈电机调速系统的仿真分析及研制 解 仑 王志良 北京科技大学信息工程学院北京100083 摘 要 提出一种应用于大容量超高速（4000kW／3600r·min －1）双馈变频调速控制方法研制出相应的实际控制系统．根据 系统中负载电机、大功率变流器和工程化矢量空间计算的离散数学模型以 PSIM6．0的 SIMCAD 环境为开发平台建立起双 馈电机变频调速矢量控制系统算法仿真平台计算出相关的仿真结果并以此为基础设计、研制出实际应用控制系统．6500 MW 冲击发电机机组实验运行结果表明系统电流响应超调量小激磁和转矩分量解耦动态过程磁链平滑验证了系统仿真 模型的有效性．该控制系统具备与直流传动系统相同的优越动、静态品质． 关键词 变频；矢量空间；变流器；离散数学模型；发电机机组 分类号 T M344∙4 Simulation analysis and development of speed adjusting systems in high-power super high-speed doubly-fed induction machines XIE L unW A NG Zh-i liang School of Information EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT An approach of high-power super high-speed doubly-fed variable frequency drive and its application system were presented．Based on a discrete mathematical model of doubly-fed induction machineshigh capacity convertorsand engineering vector space computationan algorithm simulation platform was constructed in SIMCAD of PSIM6．0∙ T he application system of a 6500 MW shock generator was set up on the basis of the simulation results．Its experiment results showed that the current’s overshooting was smallthe exciting component and torque component were independentand the dynamic flux was smooth．T he simulation and experiment results are in agreement demonstrating the validity of the model．It is also found that the static and dynamic performances of the application system are similar to those of DC drives． KEY WORDS variable frequency；vector space；convertor；discrete model；generators 收稿日期：2008-10-18 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目（No．2007AA04Z218）；国家自然科学基金资助项目（No．60573059） 作者简介：解 仑（1968－）男副教授博士E-mail：ygao＠mail．tsinghua．edu．cn 在美国、日本及东南亚等国家中其公共电网频 率都为60Hz．在该频率下大容量高压电器设备的 短路实验等性能的测试是其实际应用成败的核心 问题．同时在国外如意大利 CESI、荷兰 KEMA 等著名的高压电器生产及检测机构都具备60Hz 产 品大容量短路试验生产能力［1］． 随着中国电力工业的不断发展国内众多生产 厂家有大量出口60Hz 高压电器产品的需要；目前 我国的高压电器大容量实验都是基于50Hz国内大 容量实验基地不具备此项实验能力．因为50Hz 产 品的大容量实验在性能测试方面与60Hz 还是存在 较大差异因此60Hz 大容量实验系统的研制已成 为高压电器的发展方向在工程应用中发挥着越来 越重要的作用也是本行业所要解决的重大应用问 题［2］． 由50Hz 上升到60Hz 的大功率实验用电源有 以下几种解决办法：交－直－交变频、直流电机传 动、交流电机变极数（10∶12）及双馈变频传动等．其 中双馈传动具有较多的优越性尤其是其价格仅为 同容量交流传动的20％． 第31卷 第7期 2009年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．7 Jul．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．07．044
.940 北京科技大学学报 第31卷 基于上述工业应用的背景下，在国内首次实现 y(n十1)=Ey(n)+F(n十1)+Gu(n) 了大容量超高速(4000kW/3600rmin)双馈电机 (3) 矢量控制系统的运行，并将其成功应用于6500MW 式中， 超大功率发电机机组的60出调速运行的短路实验 中.该研究填补了我国在这一方面的空白，对国内 E= Bk -1B_A △ 2 △t 该领域的科研发展和推广起到了引领和示范作用， -1 F= A:B C⊥Dk 十切 2+ 1系统数学模型 Ak B CkD G= 根据统一电机控制理论[一]，本文中将整个系 2△t 2△d 统的数学模型分为负载电机、大容量变流装置、控制 n为第n个采样周期，Ak为上次采样时刻的稳态系 算法三个部分来进行分析· 数矩阵，B为上次采样时刻的动态系数矩阵，C为 (1)建立负载电机的仿真模型.根据双馈感应 本次采样时刻的稳态系数矩阵，D4为本次采样时刻 电机在空间任意坐标系下的数学模型，将其变换为 的动态系数矩阵，E为上次采样时刻的输出系数矩 一般的代数方程形式，并按转子、定子形式分离开， 阵，F为本次采样时刻的电压系数矩阵，G为上次 即得到双馈感应电机的离散数学模型： 采样时刻的电压系数矩阵，y%为第k个环节本次采 In=YnUn十Len, 样时刻的输出 即 对于系统中三个输入量的非线性控制环节如式 (4)所示： (1) y%(n十1)=y(n)十F1(n)u1(n十1)+ 其中，In为电流向量，Y。为等效导纳矩阵，Um为电 Fkz(n)uwz(n十1)十Fk3(n)u43(n十1)- 压向量，L。m为等效电流源向量，当考虑双馈感应电 Fk1(n)1(n)一Fkz(n)u2(n)一F3(n)3(n) 动机转速变化的动态过程时，可以采用预报一校正 (4) 算法，使一个仿真步长的电动机转速近似不变，电动 式中， 机方程为线性模型，仍然可以按照式(1)离散化，对 于转速叠代直至收敛， F()- k1(n),k2(n),k3(n), (②)建立大容量变流装置功率开关元件的离散 af F2(n)-a2 k1(n),k2(n),3() 数学模型，本系统采用六脉波循环变流器，其输出 电压为： af Fs(n)一a3 Lk1(n),以2()，k3()· 之s.(i) k1(m),2(,%3()分别为控制器的第k个环节在 U= =1 n 2) s(》 第n个采样周期时的三个输入量 将式(4)离散化，就可以得到诸如乘法器、直角 式中，Uy=Um sin[wt-(j-1)2/3π]；i=1,2,3; 坐标/极坐标变换器及其反变换器、矢量旋转变换器 =1,2,3:Um为双馈感应电动机的转子侧整流变 等双馈感应电机矢量控制算法中多输入量的非线性 压器副边相电压幅值；w,为供电电网频率；S(i,j)、 控制环节离散仿真模型. S(i,)分别表示正桥开关矩阵、反桥开关矩阵第i 此外，在交流电压、电流给定计算中加入固定补 行第j列的状态，Sa(i,j)=1或S(i,j)=1表示 偿环节，以解决时滞所引起的循环变流器输出交流 六脉波循环变流器中所对应的反并联的两只晶闸管 电流实际值相位滯后而产生的波形畸变问题，在此 中有一只导通，而Sa(i,j)=0或S(i,j)=0表示 以A相为例，时间补偿算法为 所对应的反并联的两只晶闸管都不导通，此两个开 iA (k+1)=li(k)Icos[2(k)+Af+d](5) 关矩阵中的所有元素的值均由循环变流器控制系统 式中，i(k)为电流给定值，P2(k)为在4时定子磁 中的触发控制器来决定， 链位置角，△∫为固定补偿角，d为动态补偿角 (3)建立控制算法的离散模型.对于系统中的 2仿真计算 PI运算器，第k个环节可以利用差分方程如式(3) 所示： 在上述数学模型的基础上，结合六脉波晶闸管
基于上述工业应用的背景下在国内首次实现 了大容量超高速（4000kW／3600r·min －1）双馈电机 矢量控制系统的运行并将其成功应用于6500MW 超大功率发电机机组的60Hz 调速运行的短路实验 中．该研究填补了我国在这一方面的空白对国内 该领域的科研发展和推广起到了引领和示范作用． 1 系统数学模型 根据统一电机控制理论［3－4］本文中将整个系 统的数学模型分为负载电机、大容量变流装置、控制 算法三个部分来进行分析． （1） 建立负载电机的仿真模型．根据双馈感应 电机在空间任意坐标系下的数学模型将其变换为 一般的代数方程形式并按转子、定子形式分离开 即得到双馈感应电机的离散数学模型： In＝YnUn＋ Ie n 即 I1n I2n ＝ Y1n Y12n Y21n Y2n U1n U2n ＋ Ie1n Ie2n （1） 其中In 为电流向量Yn 为等效导纳矩阵Un 为电 压向量Ie n为等效电流源向量．当考虑双馈感应电 动机转速变化的动态过程时可以采用预报－校正 算法使一个仿真步长的电动机转速近似不变电动 机方程为线性模型仍然可以按照式（1）离散化对 于转速叠代直至收敛． （2） 建立大容量变流装置功率开关元件的离散 数学模型．本系统采用六脉波循环变流器其输出 电压为： U′in＝ ∑ 3 j＝1 Sa（ ij） Usj ∑ 3 j＝1 Sa（ ij） － ∑ 3 j＝1 Sb（ ij） Usj ∑ 3 j＝1 Sb（ ij） （2） 式中Usj＝ Um sin［ ws t－（ j－1）2／3π］；i＝123； j＝123；Um 为双馈感应电动机的转子侧整流变 压器副边相电压幅值；ws 为供电电网频率；Sa（ ij）、 Sb（ ij）分别表示正桥开关矩阵、反桥开关矩阵第 i 行第 j 列的状态Sa（ ij）＝1或 Sb （ ij）＝1表示 六脉波循环变流器中所对应的反并联的两只晶闸管 中有一只导通而 Sa（ ij）＝0或 Sb （ ij）＝0表示 所对应的反并联的两只晶闸管都不导通此两个开 关矩阵中的所有元素的值均由循环变流器控制系统 中的触发控制器来决定． （3） 建立控制算法的离散模型．对于系统中的 PI 运算器第 k 个环节可以利用差分方程如式（3） 所示： yk（ n＋1）＝ Ekyk（ n）＋Fkuk（ n＋1）＋ Gkuk（ n） （3） 式中 Ek＝ Ak 2 ＋ Bk Δt －1 Bk Δt － Ak 2 Fk＝ Ak 2 ＋ Bk Δt －1 Ck 2 ＋ Dk Δt Gk＝ Ak 2 ＋ Bk Δt －1 Ck 2 － Dk Δt ． n 为第 n 个采样周期Ak 为上次采样时刻的稳态系 数矩阵Bk 为上次采样时刻的动态系数矩阵Ck 为 本次采样时刻的稳态系数矩阵Dk 为本次采样时刻 的动态系数矩阵Ek 为上次采样时刻的输出系数矩 阵Fk 为本次采样时刻的电压系数矩阵Gk 为上次 采样时刻的电压系数矩阵yk 为第 k 个环节本次采 样时刻的输出． 对于系统中三个输入量的非线性控制环节如式 （4）所示： yk（ n＋1）＝yk（ n）＋Fk1（ n） uki1（ n＋1）＋ Fk2（ n） uk2（ n＋1）＋Fk3（ n） uk3（ n＋1）－ Fk1（ n） uki1（ n）－Fk2（ n） uk2（ n）－Fk3（ n） uk3（ n） （4） 式中 Fk1（ n）＝ ∂f ∂uk1 uk1（ n）uk2（ n）uk3（ n） Fk2（ n）＝ ∂f ∂uk2 uk1（ n）uk2（ n）uk3（ n） Fk3（ n）＝ ∂f ∂uk3 uk1（ n）uk2（ n）uk3（ n）． uk1（ n）uk2（ n）uk3（ n）分别为控制器的第 k 个环节在 第 n 个采样周期时的三个输入量． 将式（4）离散化就可以得到诸如乘法器、直角 坐标／极坐标变换器及其反变换器、矢量旋转变换器 等双馈感应电机矢量控制算法中多输入量的非线性 控制环节离散仿真模型． 此外在交流电压、电流给定计算中加入固定补 偿环节以解决时滞所引起的循环变流器输出交流 电流实际值相位滞后而产生的波形畸变问题．在此 以 A 相为例时间补偿算法为 i ∗ A （ k＋1）＝｜i ∗（ k）｜cos［φ2（ k）＋Δf＋ d ］ （5） 式中i ∗（ k）为电流给定值φ2（ k）为在 tk 时定子磁 链位置角Δf 为固定补偿角d 为动态补偿角． 2 仿真计算 在上述数学模型的基础上结合六脉波晶闸管 ·940· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第7期 解仑等：大容量超高速双馈电机调速系统的仿真分析及研制 .941. 在导通模式下换流及非换流模式的数学描述[]， 其核心是基于矢量空间的解耦控制，如图1所示 以PSIM6.0的SIMCAD环境为开发平台，建立起 其中包括交流电流调节器、电压前馈补偿环节、电流 双馈电机变频调速矢量控制系统算法仿真平台，整 断补偿环节、无环流逻辑控制、正组晶闸管功率变流装 个系统主要是内环电流调节、外环转速和功率调节， 置触发器和反组晶闸管功率变流装置触发器等部分， 转速和无功控制 wr ref wr ref im ref 2r/3s 电流环控制与触发 交交变顿器 wrHwr im ref d且 it ref -K9 6 Cal ia ref actl+ Ua actl 0 H-ul CT ib refact2+ Ue <sin Ci】 3THY act2- 3r/2m 2 act3+ m d a ic ref 图自 Gc Hie act3- 电压前馈补偿 -o cc ]u3 .n im ref 电网 it refuu CH 磁通观测和CT角计算 23s A bIHb1 u 即DCTr aHA≤ 3/2 b2 四-K☒g d3mmag ils bHUB mag Hmag n i2s 3/2 a-as bibs 图1双馈电机矢量控制系统整体仿真平台 Fig.1 Simulation platform of a doublyfed vector control system 图2为功率变流装置的仿真结果，由图2(a)可 图2(d)为零电流检测值与实际电流逻辑关系运算 见交流调节器的输入侧交流电流给定与反馈吻合程 所节省的200%死区时间.通过以上的仿真计算， 度较好；由图2(b)可以看出在正、反桥切换时的电 可以看出与以晶闸管典型模型为基础(3.3ms采样 流死区；图2(c)显示无环流逻辑控制信号的产生； 开关加零阶保持器)的功率变流算法完全一致， 2000 (b) i ref 0 2000 -2000 1000 4000 2000 1000 ref 1000 -2000- 0.5 0.125 0.1500.1750.2000.2250.250 1.2AM 0.8(c) AMI AM2 0.4 (d) 0.8 0 1.2AMIAM2 0.8 0.4 0.07 0.10 0.13 0.16 tis 0.1 0.2 0.3 0.4 图2功率变流环节的算法仿真结果.()给定反馈电流（上）、1晶俐管的电流（下）：()给定/反馈电流与反馈电压过零比较：(c)逻辑切 换信号：(d)正、反桥双封钳零(0.1s时刻，死区200) Fig.2 Simulation results of the power convertor:(a)current set point value/No.I SCR current:(b)set point/real current and voltage value; (c)logic switch signal;(d)double disabled time (200s) 当前的典型运行工况为：同步转速3000r· 波形如图3所示， min在1.5s时刻突加负载，在4s时刻减载其仿真 通过对图3(a)仿真波形的分析可以看出：在同
在导通模式下换流及非换流模式的数学描述［5－6］ 以 PSIM6∙0的 SIMCAD 环境为开发平台建立起 双馈电机变频调速矢量控制系统算法仿真平台．整 个系统主要是内环电流调节、外环转速和功率调节 其核心是基于矢量空间的解耦控制如图1所示． 其中包括交流电流调节器、电压前馈补偿环节、电流 断补偿环节、无环流逻辑控制、正组晶闸管功率变流装 置触发器和反组晶闸管功率变流装置触发器等部分． 图1 双馈电机矢量控制系统整体仿真平台 Fig．1 Simulation platform of a doubly-fed vector control system 图2为功率变流装置的仿真结果．由图2（a）可 见交流调节器的输入侧交流电流给定与反馈吻合程 度较好；由图2（b）可以看出在正、反桥切换时的电 流死区；图2（c）显示无环流逻辑控制信号的产生； 图2（d）为零电流检测值与实际电流逻辑关系运算 所节省的200μs 死区时间．通过以上的仿真计算 可以看出与以晶闸管典型模型为基础（3∙3ms 采样 开关加零阶保持器［7］ ）的功率变流算法完全一致． 图2 功率变流环节的算法仿真结果．（a） 给定反馈电流（上）、1＃晶闸管的电流（下）；（b） 给定／反馈电流与反馈电压过零比较；（c） 逻辑切 换信号；（d） 正、反桥双封钳零（0∙1s 时刻死区200μs） Fig．2 Simulation results of the power convertor：（a） current set-point value／No∙1SCR current；（b） set-point／real current and voltage value； （c） logic switch signal；（d） double disabled time （200μs） 当前的典型运行工况为：同步转速3000r· min －1在1∙5s 时刻突加负载在4s 时刻减载其仿真 波形如图3所示． 通过对图3（a）仿真波形的分析可以看出：在同 第7期 解 仑等： 大容量超高速双馈电机调速系统的仿真分析及研制 ·941·
.942 北京科技大学学报 第31卷 3100 2000(b) 3000 言29%0 -2000 2800 1000 MMww 3-1000 0.5 1.5 253.54.55.5 0.5 1.5 2.53.54.55.5 t/s s 图3整体仿真平台实验结果，(a)同步速度时的速度响应、转矩电流；(b)转子相电流实际值和电压给定值 Fig.3 Simulation results of doubly fed vector control system platform:(a)speed response and torque value:(b)rotor phase current and voltage 步速度点突然加减负载时，同步转速有将近3%的 超调，力矩电流分量存在6.5%的超调，转子电流的 3实验结果及分析 力矩部分成比例增加，使转子相电流总体增加近 整个控制系统结构如图4所示，其中n和n 60%,以进一步提高系统的响应速度，而转子电压的 表示速度给定和反馈，ST为速度调节器，ZLT和 给定值通过矢量空间的计算，其幅度降低近20%， JLT为直流和交流调节器，EXT为激磁电流分量发 达到稳定状态以后转子速度和力矩电流均保持恒定 生器，JLT为相电流调节器，n0、和s为同步转 值，同时通过动态过程中对磁链的实时状态的计 速、同步角速度和滑差角速度，VA、VD和2/3为矢 算，在整个动态过程中磁链幅值没有发生变化，其动 量分析器、旋转变换器和二/三变换器，V/F为频率/ 态过程平缓，磁通圆保持较好的稳定性，充分说明转 电压变换器，平为磁链观测器，中、入和中为定子 子激磁电流与力矩电流的解耦控制效果，以及磁链 矢量角、转子机械角和转子矢量角，，A2,3、 控制的抗扰性).通过矢量计算所得到的电压前 ,A2,A3和uRiA2.A3为双馈感应电动机转子三相电 R 馈输出，即三相交流电压给定值幅值减小（图3 流给定、反馈和转子三相电压给定，A,Bc和A.B,c (b),其根本原因是为加大力矩电流和减少激磁电 为转子三相电流和电压实际值（以上未特殊说明的 流，基于上述仿真分析可以看出，该系统具有较强 均为电动机转子的物理量，下标M、T和α、B表示 的鲁棒性及完全解耦特性，可以达到直流电动机控 该量在激磁、力矩轴分量和α轴、B轴分量)， 制系统的水平[1o] R 123 23 ☒ 2/3 VA D c0s入 iABc VF 图4实际控制系统结构 Fig.4 The architecture of the application control system 如图5(a)所示为系统的A、B相转子电流的反 的频率时其转子电流平滑、稳定，整流输出的波形中 馈值，通过实际波形的分析可以看出，在当前10出 波头数目均匀，相位差为标准的120°；说明系统电
图3 整体仿真平台实验结果．（a）同步速度时的速度响应、转矩电流；（b）转子相电流实际值和电压给定值 Fig．3 Simulation results of doubly-fed vector control system platform：（a） speed response and torque value；（b） rotor phase current and voltage 步速度点突然加减负载时同步转速有将近3％的 超调力矩电流分量存在6∙5％的超调转子电流的 力矩部分成比例增加使转子相电流总体增加近 60％以进一步提高系统的响应速度而转子电压的 给定值通过矢量空间的计算其幅度降低近20％ 达到稳定状态以后转子速度和力矩电流均保持恒定 值．同时通过动态过程中对磁链的实时状态的计 算在整个动态过程中磁链幅值没有发生变化其动 态过程平缓磁通圆保持较好的稳定性充分说明转 子激磁电流与力矩电流的解耦控制效果以及磁链 控制的抗扰性［8－9］．通过矢量计算所得到的电压前 馈输出即三相交流电压给定值幅值减小（图 3 （b））其根本原因是为加大力矩电流和减少激磁电 流．基于上述仿真分析可以看出该系统具有较强 的鲁棒性及完全解耦特性可以达到直流电动机控 制系统的水平［10］． 3 实验结果及分析 整个控制系统结构如图4所示其中 n ∗ 和 n 表示速度给定和反馈ST 为速度调节器ZLT 和 JLT 为直流和交流调节器EXT 为激磁电流分量发 生器JLT 为相电流调节器n0、ω0 和 sω0 为同步转 速、同步角速度和滑差角速度VA、VD 和2／3为矢 量分析器、旋转变换器和二／三变换器V／F 为频率／ 电压变换器Ψm 为磁链观测器●s、λ和●R 为定子 矢量 角、转 子 机 械 角 和 转 子 矢 量 角i R∗ A1A2A3、 i R A1A2A3和 u R∗ A1A2A3为双馈感应电动机转子三相电 流给定、反馈和转子三相电压给定i S ABC和 u S ABC 为转子三相电流和电压实际值（以上未特殊说明的 均为电动机转子的物理量下标 M、T 和α、β表示 该量在激磁、力矩轴分量和 α轴、β轴分量）． 图4 实际控制系统结构 Fig．4 The architecture of the application control system 如图5（a）所示为系统的 A、B 相转子电流的反 馈值．通过实际波形的分析可以看出在当前10Hz 的频率时其转子电流平滑、稳定整流输出的波形中 波头数目均匀相位差为标准的120°；说明系统电 ·942· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第7期 解仑等：大容量超高速双馈电机调速系统的仿真分析及研制 .943 流环运行正常，动态响应特性良好，图5(b)所示为 出该时间处于调节的动态过程之中，输出的给定值 系统的交流电流给定值及电流断续补偿信号，从实 为饱和状态，使得主回路电流控制处于深度调节中， 测信号波形可以看出，电流给定波形光滑，系统电流 而稳态时，该信号的交流幅值将很小.通过以上对 调节过程之中，正、反功率整流桥相互切换时电流断 实际系统实验效果的分析可以看出，其电流环控制 续补偿控制的作用效果，即在切换时刻，将触发点向 运行平稳，矢量空间计算准确，动态过程快速动态调 后推进（按线性比例）一定角度，其切换过程平滑， 节和稳态无静差控制的良好性能2]， 图5（©）所示为电压前馈输出的电压给定值，可以看 本系统所研制的4000kW/3600rmin-1双馈 (a) b Gh1s.00V图5.00V t/ms AAAAAAAAAAA A002m t/ms tms 图5控制系统信号波形.(a)两相转子电流反馈信号：(b)A相断续补偿与相电流给定值：（©）转子电压给定信号：(d)A相断续补偿与相电 流给定值 Fig5 Waveform of the control system:(a)rotor current feedback value of two phase:(b)A phase current compensation and set point:(c)rotor voltage set point value:(d)A phase current compensation and set point 电机矢量控制系统通过6500MW冲击发电机，来对 通过60z下高压开关设备大容量短路实验的 高压电器产品进行短路开断、关合实验性能考核，即 成功运行，验证了我国高压电器实验基地率先进行 通过4000kW/3600rmin-1双馈电机矢量控制系 了交流60出产品大容量短路实验，填补了国内在 统使6500MW冲击发电机达到60z的高压短路 该领域的空白 能力3]. 以标准短路循环重合闸短路开断实验为例，在 4结论 短路实验前，先空载对发电机进行励磁，空载持压时 根据大容量超高速双馈电机变频调速系统中负 间不超过30s,此时4000kW电动机定子电流接近 载电机、大容量变流装置、工程化矢量控制算法的离 额定电流265A,然后发电机短路0.1s,空载持压 散数学模型，以PSIM6.0的SIMCAD环境为开发 0.3s后再短路0.1s,最后持压0.3s后灭磁.发电 平台，建立起双馈电机变频调速矢量控制系统算法 机1h进行上述短路循环不超过8次，短路电流最 仿真平台，计算出相关的仿真结果，分析了所研制的 大100kA.图5(d)为机组加速至3600rmin,先 系统在典型工况下实验结果的有效性，在6500 空升发电机，测量60z的电压波形，读出电压频率 MW冲击发电机组中的实际运行结果显示，该控制 f=59.8h,全波时间T=16.7ms,与预期值相符. 系统具备优越的动态、静态品质
流环运行正常动态响应特性良好．图5（b）所示为 系统的交流电流给定值及电流断续补偿信号．从实 测信号波形可以看出电流给定波形光滑系统电流 调节过程之中正、反功率整流桥相互切换时电流断 续补偿控制的作用效果即在切换时刻将触发点向 后推进（按线性比例）一定角度其切换过程平滑． 图5（c）所示为电压前馈输出的电压给定值．可以看 出该时间处于调节的动态过程之中输出的给定值 为饱和状态使得主回路电流控制处于深度调节中 而稳态时该信号的交流幅值将很小．通过以上对 实际系统实验效果的分析可以看出其电流环控制 运行平稳矢量空间计算准确动态过程快速动态调 节和稳态无静差控制的良好性能［11－12］． 本系统所研制的4000kW／3600r·min －1双馈 图5 控制系统信号波形．（a）两相转子电流反馈信号；（b） A 相断续补偿与相电流给定值；（c）转子电压给定信号；（d） A 相断续补偿与相电 流给定值 Fig．5 Waveform of the control system：（a） rotor current feedback value of two phase；（b） A-phase current compensation and set-point；（c） rotor voltage set-point value；（d） A-phase current compensation and set-point 电机矢量控制系统通过6500MW 冲击发电机来对 高压电器产品进行短路开断、关合实验性能考核即 通过4000kW／3600r·min －1双馈电机矢量控制系 统使6500MW 冲击发电机达到60Hz 的高压短路 能力［13］． 以标准短路循环重合闸短路开断实验为例在 短路实验前先空载对发电机进行励磁空载持压时 间不超过30s此时4000kW 电动机定子电流接近 额定电流265A然后发电机短路0∙1s空载持压 0∙3s 后再短路0∙1s最后持压0∙3s 后灭磁．发电 机1h 进行上述短路循环不超过8次短路电流最 大100kA．图5（d）为机组加速至3600r·min －1先 空升发电机测量60Hz 的电压波形读出电压频率 f＝59∙8Hz全波时间 T＝16∙7ms与预期值相符． 通过60Hz 下高压开关设备大容量短路实验的 成功运行验证了我国高压电器实验基地率先进行 了交流60Hz 产品大容量短路实验填补了国内在 该领域的空白． 4 结论 根据大容量超高速双馈电机变频调速系统中负 载电机、大容量变流装置、工程化矢量控制算法的离 散数学模型以 PSIM6∙0的 SIMCAD 环境为开发 平台建立起双馈电机变频调速矢量控制系统算法 仿真平台计算出相关的仿真结果分析了所研制的 系统在典型工况下实验结果的有效性．在6500 MW 冲击发电机组中的实际运行结果显示该控制 系统具备优越的动态、静态品质． 第7期 解 仑等： 大容量超高速双馈电机调速系统的仿真分析及研制 ·943·
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