PDF《大容量双六相储能电机系统建模与仿真》

0 引言储能电机是利用轴系的大惯量存储能量、 同轴 电动/发电机实现机电能量转换的一种储能装置[1 -

3 ] .目前投入应用或正在开发的储能电机有两 种类型: 第一种是储能与释能功率等级相当, 可用单 台电机交替实现电动和发电功能, 中小容量的磁悬 浮飞轮储能系统为这一类型 [4 ] , 具有结构紧凑、 效 率高等特点, 一般用作飞轮电池;

第二种是储能功率 小释能功率一个量级以上, 由两台电机分别实现电 动和发电功能, 大容量交流脉冲发电机组为这一类 型[5 -

6 ] , 以小功率、 长时间存储能量, 大功率、 短时间 释放能量, 一般用作大容量脉冲电源, 可应用于核聚 变试验技术 [7 ] 、 等离子体和电磁发射技术等领域. 大容量储能电机为突破单台电力电子变换装置 容量 限制, 常用多套多相隐极同步机作主发电机[8 ] , 而因感应电机结构可靠和控制方便, 常用作 拖动电机.同时, 为降低励磁控制装置容量, 避免碳 粉污染等问题, 用同轴励磁机经旋转整流器整流后 为主发电机提供励磁. 储能电机向脉冲功率负载释放大功率和能量 时, 其电压和电流大幅、 快速变化, 与此同时转速剧 烈下降, 电磁暂态与机械动态紧耦合.因此, 采用传 统解析法难以准确研究这类系统的动态性能, 只能 借助数值仿真算法来分析.为利用已有的丰富功能 模块, 可使用商业仿真软件来提高研究效率.文献 [ 9] 利用多回路法建立了多相感应电机的数学模 型, 并进行了仿真分析研究, 但并没有说明仿真算法 的细节. 目前常用的电气仿真软件有 Matlab /SIMULINK 和PSCAD/EMTDC.在Matlab /SIMULINK 中建立的 多相电机数值模型仿真效率较低, 尤其直接与电力 电子模块接口时;

PSCAD/EMTDC 是专业的电磁暂 态数值仿真软件, 仿真效率较高, 但其本身也并不提 供多相电机的数值仿真模型, 必须用户自己开发;

另 一方面, 仿真建模中尚且存在励磁机与主发电机的 转速同步问题, 目前鲜见相关文献发表. 本文通过先建立双六相储能电机数学模型, 进而 采用梯形离散算法, 在现有商业软件中二次开发建立 了对应的数值仿真模型, 并与实验结果进行对比.

2 系统结构 某负载所需的秒级脉冲功率几十兆瓦, 秒级内 消耗的电能达几十甚至近百兆焦, 普通市电电网难 以承受这种短时大容量载荷冲击, 因此需特别研制 相应的大容量储能电机为其提供脉冲电源.脉冲功 率负载由两套工作模式完全对称的变流器并联供 电, 每套变流器由两台级联的变流器构成, 每台变流 器的直流母线由三相整流器提供支撑, 系统结构如 图1所示, 可为上述脉冲功率负载提供幅值、 频率完 全可调控的大容量、 高质量电能. 脉冲功率负载变流器整流器变流器整流器变流器整流器变流器整流器A11 B11 C11 A12 B12 C12 A21 B21 C21 A22 B22 C22 N21 N22 N12 N11 F2 F1 A B F4 F3 飞轮 图1双六相储能电机系统结构示意图 Fig.

1 Scheme of dual- six phase electric machine for energy storage system 主发电机采用隐极转子励磁, 由三相无刷励磁 机提供励磁电流, F3 、 F4 为主发励磁绕组端子, F1 、 F2 为无刷励磁机的励磁绕组端子, 两者通过连轴器 与大惯量储能飞轮连接;

为保证两套并联变流器的 工作模式完全对称, 特别要求提供两套相位、 幅值完 全对称的六相电源, 为此将发电机的电枢绕组专门 设计成双六相的结构形式.每套六相均由两个独立 的三相构成, 这两个三相之间相位差 30°;