交流励磁发电机系统并网运行谐波的研究

ISSN100020054清华大学学报(自然科学版)1999年第39卷第3期

CN1122223󰃗N.39,No.3JTsinghuaUniv(Sci&Tech),1999,Vol26󰃗34

96～99

交流励磁发电机系统并网运行谐波的研究3

王祥珩,　史文华,　黎道成0

清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084;　0东方电机股份有限公司,德阳618000

文　摘　对交流励磁发电机系统并网运行的主要问题——谐波进行了全面分析。首先建立了交流励磁电机系统并网运行时的精细模型,包括交流励磁电机、交交变频器、转子边外接电抗器、整流变压器、电网内阻抗的影响等。对一台交流励磁发电机实验系统进行了仿真研究和实验对比,分析了该系统并网运行时谐波问题的影响因素。实验与仿真结果的对比证明了模型和分析的正确性。最后指出了减少交流励磁发电机系统并网运行谐波的方法。

关键词　交流励磁电机;交交变频器;谐波;多回路方法分类号　TM301

矩和转子运动方程分别为[1]:

UD=p7D+RDID

7D=LDID

Te=Tm

P(1)(2)(3)(4)

2

ID

T

9LDID9Χ

1d2Χ-Te=J

Pdt2

式中:UD,ID分别为定、转子电压、电流的列矩阵;7D为磁链列矩阵;LD和RD分别为电感和电阻矩阵;p为微分算子;P为电机极对数;Χ为转子位置角(电角度);J为转动惯量;Tm为原动机转矩。

　　交流励磁发电机并网运行时的谐波是影响其发电质量的主要问题。一台交流励磁发电机系统并网运行的实验表明,谐波必须引起足够的重视[1]。本文在建立交流励磁发电机系统并网运行的精细数学模型的基础上,全面分析了影响并网运行谐波的各种因素,并提出了改善并网运行谐波问题的对策。

1　交流励磁发电机系统并网运行的数

学模型

　　并网运行时交流励磁发电机系统由电网、交流励磁发电机、整流变压器、交交变频器、转子边外加电抗器、控制系统和原动机等几部分组成,见图1。1.1　交流励磁发电机模型

图1　并网运行时的交流励磁发电机系统

电感矩阵LD的计算是一个关键问题。本文采用

多回路方法计算电感参数,这不仅可以考虑一般的气隙空间谐波磁势的影响,还能计及齿槽效应[1]。1.2　交交变频器模型

交流励磁发电机一般采用线绕式异步电机结构,其定子和转子各有三相绕组。采用相坐标系,可方便地考虑气隙空间谐波磁势和齿谐波磁势、齿谐波磁导的影响。在正电流产生正磁链和电动机惯例的正方向规定下,交流励磁发电机的电压、磁链、转

　　收稿日期:1998207206

　　第一作者:男,1940年生,教授　3基金项目:国家攀登计划B(85235)

一台交流励磁发电机系统中采用的六脉波无环

流交交变频器由36个晶闸管组成。按实际管子导通情况,考虑了正常导通模式、两管换流模式和正、负组换组模式,建立了交交变频器模型[1,2]。1.3　整流变压器模型

系统采用的是三分列整流变压器。图2给出了三分列整流变压器、交交变频器和电机转子电流示意图,其中iTA,iTB,iTC为整流变压器原边线电流;iai,ibi,ici(i=a,b,c)为副边线电流;ia,ib,ic为电机转

王祥珩,等:　交流励磁发电机系统并网运行谐波的研究97

子三相电流。其矩阵表示式为

iTA

It=

iTB,Iz=iTCiaaiabiac

ibaibbibc

icaicbicc三分列整流变压器原边线电流和副边线电流之间的一般关系式为

1

1T

(5)It=CtzIz1

K

图4　转子边系统a回路的示意图

1.5　并网交流励磁发电机系统模型

1将方程(1)(2)(6)(7)联立,得到系统电压方程的矩阵形式为

U=LG󰃖pIT+(LD+LG+LF+LE)󰃖pID+(pLD+RD)󰃖ID

式中:K为变比;Ctz为原边线电流和副边线电流的

关系矩阵,可根据变压器的连接方式和连接组别由变压器手册查到。

(8)

′+uNO),(ub′式中:U=[uA∞,uB∞,uC∞,(uaNN+uNO),

T

′(uc为电压向量;IT=[iTA,iTB,iTC,0,0,N+uNO)]

0]T为整流变压器原边线电流向量;LF=diag[0,0,0,Lfa,Lfb,Lfc]为整流变压器漏电感矩阵(折合到副边);LG=diag[Lg,Lg,Lg,0,0,0]为电网内电感矩

图2　三分列整流变压器、交交变频器和

电机转子电流示意图

阵;LE=diag[0,0,0,Le,Le,Le]为转子边外加电感

矩阵。将电机定、转子电流作为状态变量,得到系统的状态方程

ID=AID+B

若已知转子电流和交交变频器的导通情况,就可求得副边线电流Iz,进而根据式(5)又可求出原边线电流。1.4　电网模型

α

(9)

交流励磁发电机定子边接电网,转子边则通过交交变频器和整流变压器接电网,见图1。当电网容量较小时,两边的谐波将相互影响。本文的电网模型为理想电网加内电感Lg。这时对定子边,系统A回路的示意图见图3;对转子边,系统a回路的示意图见图4,它们的回路电压方程分别为:

(6)uA∞=Lgp(iA+iTA)+uA

′=Lfapia+ua0-uaN

uNO=uNO

Lfapia+Lepia+ua-

式中:A=(-1)(LD+LG+LF+LE)-1(pLD+RD);

-1

B=(LD+LG+LF+LE)󰃖(U-LG󰃖pIT)

式(9)和式(3)(4)联立,就可以对交流励磁发电机系统的并网运行行为进行仿真。仿真中采用四阶龙格2库塔法计算系统的状态方程,用单步欧拉法计算交交变频器的换流微分方程和电机转子运动方程。

2　影响交流励磁发电机并网运行谐波

的因素

(7)

　　对不同的运行情况进行了仿真分析,重点考虑交流励磁发电机、交交变频器、电网内电感和转子边外加电抗器的作用。

2.1　交流励磁发电机对系统并网运行谐波的影响

式中:Lfa为折合到副边的变压器漏电感;Le为转子

边外加电感;uNO为交交变频器中点和转子绕组中点间的电压,若N和O相连,则uNO=0;若N和O不相连,可采用文[2]的方法处理。

图5为系统接到理想电网,电机转子绕组接直流电压(不接交交变频器),保持电机转速为1500r󰃗min,定子有功功率P1=1kW,定子无功

功率Q1=-1kvar时的定子相电流和转子相电流仿真波形。该交流励磁实验电机额定功率为

图3　定子边系统A回路的示意图

2.8kW,2对极,额定转速为1395r󰃗min,定子36

槽,转子24槽,定子额定电压为380V,定子额定电

98清华大学学报(自然科学版)1999,39(3)

流为6.63A,转子额定电压为195V,转子额定电流为9.3A。变压器与电机定子绕组接到同一电网,若电网容量较小(可看成理想电网串内电感),则整流变压器原边线电流对系统并网运行谐波有影响。图7是电机采用理想电机模型,电机转子绕组接无谐波的标准电压(不接交交变频器),电网内电感分别为0和01002H时,整流变压器原边相电流、定子相电流、转子相电流和电磁转矩波形。

1500r󰃗min,P1=1kW,Q1=-1kvar

图5　系统并网稳态仿真波形(不接交交变频器)

　　由图5可见,并网运行时交流励磁发电机本身

会产生谐波。通过频谱分析(频谱图未列出)可知,这时定子相电流主要含有11,13,17,19,35,37次谐波,谐波总含量为5%;转子相电流主要含有12,18,36次谐波,谐波总含量为817%,它们均属电机的齿谐波。

2.2　交交变频器对系统并网运行谐波的影响

(a)整流变压器原边相电流　　(b)定子相电流

交流励磁发电机仍接理想电网,转子边接交交变频器,但电机采用理想电机模型,认为定转子表面光滑,气隙磁势只考虑空间基波,定子相电流和转子相电流的仿真波形如图6所示。(c)转子相电流　　　　　　(d)电磁转矩

1400r󰃗min,P1=1kW,Q1=0var

图7　非理想电网时系统并网稳态仿真波形

　　由图7可见,因为交交变频器的开关特性,整流

变压器原边相电流含有较强的谐波,电网内电感对其波形有一定影响。考虑电网内电感后电机定子相

1500r󰃗min,P1=1kW,Q1=-1kvar

图6　系统并网稳态仿真波形(理想电机接交交变频器)

　　由图6可见,交交变频器是系统并网运行时的

主要谐波源之一。通过频谱分析(频谱图未列出)可知,这时定子相电流主要含有5,7,11,13,17,19次谐波,谐波总含量为16%;转子相电流主要含有6,12,18,24次谐波,谐波总含量为28%,它们是转子边交交变频器的输出电压谐波引起的。众所周知,六脉波交交变频器在输出直流电压时,其输出电压中含有6nf1谐波系列,从而引起了转子电流的6nf1次谐波和定子电流的6nf1±f1次谐波。

2.3　非理想电网时整流变压器原边线电流对系统

电流和转子相电流中都增加了谐波,而且定子三相电流出现了一定的不对称(图中只给出了一相电流),电磁转矩中出现了频率为2f1的脉动转矩及其它次数的脉动转矩。

2.4　转子边外接电抗器的作用

并网运行谐波的影响

　　交流励磁发电机系统转子边交交变频器经整流

为了抑制交流励磁发电机系统并网运行时的谐波,提高发电质量,电机转子边交交变频器输出串接电抗器后再接转子绕组。图8为理想电网,电机采用理想电机模型,转子边交交变频器串接电抗器分别为0和01005H时,电机定子和转子相电流的仿真波形。

由图8可见,转子边外接电抗器对抑制系统并网运行时的谐波有非常显著的作用。外接电抗为0和5mH时,转子电流谐波含量分别为37%和12%,定子电流谐波含量分别为34%和19%。这与

王祥珩,等:　交流励磁发电机系统并网运行谐波的研究99

系统单机空载时转子外接电抗器抑制谐波的作用很小[1],是很鲜明的对比。

4　结　论

在并网运行交流励磁发电机系统精细数学模型的基础上,全面研究了交流励磁发电机、交交变频器、电网内阻抗和转子边外接电抗器等对并网运行谐波的影响。实验和仿真结果的对比证明了本文模型和方法的正确性。

更细致的研究表明,优化定、转子齿槽配合并采取其它措施,可以减小并网运行时交流励磁电机本身引起的谐波;采用12脉波来替代6脉波交交变频器,减少死区时间等,可以减少交交变频器引起的谐波;适当选择转子边外接电抗,减小电网的内电感等对削弱并网运行的谐波也有一定作用。

参　考　文　献

1

3　交流励磁发电机系统并网运行实验

及仿真

　　对218kW交流励磁发电机系统进行了并网运行实验,并做了相应工况的仿真。图9为系统联网

P1,Q1为不同值时的定子相电流稳态实验和仿真波

形。上述各图中实验波形与仿真波形吻合较好,说明了本文数学模型和仿真程序的正确。

史文华.交流励磁发电机系统谐波和稳态性能的研究:[硕士学位论文].清华大学电机工程与应用电子技术系,1998

n=1500r󰃗min,P1=1kW,Q1=0var

2李耀华.交交变频磁场定向控制同步电机性能的研究:[博士学位论文].清华大学电机工程与应用电子技术系,1994

图8　转子外接电抗器对系统并网稳态仿真波形的影响

34

高景德,王祥珩,李发海.交流电机及其系统的分析.北京:清华大学出版社,1993

海勒尔,哈马塔著.异步电机中谐波磁场的作用.章名涛,俞鑫昌译.北京:机械工业出版社,1980

(a)1500r󰃗min,P1=0W,Q1=1kvar

ResearchonharmonicofACexcited

generateronpowersystems

WANGXiangheng,SHIWenhua,LIDaocheng

DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;0DongfangElectricMachineCo.Limited,

Deyang618000,China

Abstract　ResearchonharmonicofACexcitedgeneratoronpowersystemsiscarriedout.AtfirstafinemathematicmodelofACexcitedgeneratoronpowersystemshasbeenpresented,consideringACexcitedgenerator,cycloconverter,reactorinrotorcircuit,rectiformerandpowersysteminductanceetc.ThefactorinfluencingharmonicofACexcitedgeneratoronpowersystemsisanalysed.SimulationandexperimentonanACexcitedgeneratorsystemareconducted,andtheresultshowsthatthemodelandanalysismethodpresentedareeffective.TheresearchpointsoutmeasuresofdecreasingharmonicofACexcitedgeneratorsystemonpowersystems.

Keywords　ACexcitedgenerator;cycloconverter;

harmonic;multi2loopmethod

0

(b)1500r󰃗min,P1=1kW,Q1=0var

(c)1500r󰃗min,P1=1kW,Q1=-1kvar

图9　系统并网稳态定子电流波形