自勵異步發(fā)電機系統(tǒng)運動穩(wěn)定性分析

異步發(fā)電機具有成本低、結(jié)構(gòu)堅固、易維護、暫態(tài)性能良好和可短路自保護等諸多優(yōu)點,在并網(wǎng)、微電網(wǎng)和獨立發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,尤為發(fā)電或邊遠地區(qū)和電網(wǎng)不能覆蓋區(qū)域的用戶和小型商用發(fā)電的機型,在新能源的開發(fā)和利用方面正發(fā)揮著日益重要的作用。異步發(fā)電機系統(tǒng)的建模是對其運行性能進行分析的必要手段,數(shù)學模型是對研究對象物理結(jié)構(gòu)的模擬,其中離不開假定條件,由此也引入了不可避免的誤差,這是定量分析的主要缺陷。定性分析注重對實際對象質(zhì)的特性研究,質(zhì)是區(qū)別于其他物理對象的標志,也是系統(tǒng)運行性能理論分析的基礎(chǔ)和出發(fā)點,但定性分析未免失之于主觀。合理整合定性分析和定量分析這兩種方法的優(yōu)勢,以定性分析為主,分析對象的運行機理；以定量分析為輔,用對象的算例和實驗進行驗證,兩種方法的有機結(jié)合能夠有效地揭示異步發(fā)電機系統(tǒng)運行的實質(zhì)。

鑒于目前異步發(fā)電機系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)運行性能無法解析計算,通過將自勵異步發(fā)電機在三相坐標系上的物理模型及其數(shù)學模型等效變換到其他坐標系上,得到其在兩相靜止坐標系上的等效電路模型及其數(shù)學模型。根據(jù)等效變換后所得模型,通過引入非線性動力學系統(tǒng)理論和能量轉(zhuǎn)換與守恒定律,提出基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的整體性分析方法。應(yīng)用這種整體性分析方法分別對自勵異步發(fā)電機系統(tǒng)的自勵建壓與投切負載暫態(tài)和帶載穩(wěn)態(tài)運行過程進行分析。由暫態(tài)分析得到暫態(tài)穩(wěn)定的臨界條件及其解析解,運用算例分析比較并驗證其正確性,說明分析結(jié)果的簡捷性。由穩(wěn)態(tài)分析得到穩(wěn)態(tài)運行的穩(wěn)態(tài)條件—極限環(huán)和穩(wěn)態(tài)運行點,為了求解穩(wěn)態(tài)運行點條件,提出基于坐標系的等價轉(zhuǎn)化解析計算方法。

通過穩(wěn)態(tài)運行點的解析計算式,得到穩(wěn)態(tài)條件的解析解。運用算例分析檢驗并得到穩(wěn)態(tài)條件*的解析解,該解析解可通用于轉(zhuǎn)矩和功率的解析計算以及補償器的設(shè)計。運用基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的整體性分析方法,提出對投切負載等大擾動暫態(tài)過程的分析方法及其完整分析過程,該方法從運動特性等物理本質(zhì)角度區(qū)別了負載投入和切除的兩種暫態(tài)過程。通過上述分析可知,穩(wěn)態(tài)的運動形態(tài)是一個具有固定周期的軌道一極限環(huán),穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性可由極限環(huán)穩(wěn)定性來判定,發(fā)電機外電路參數(shù)通過改變動態(tài)勵磁電感改變系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)性能。引入Lyapunov指數(shù),統(tǒng)一分析自勵異步發(fā)電機系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行的穩(wěn)定性及其穩(wěn)定程度。負的Lyapunov指數(shù)值越大,暫態(tài)穩(wěn)定性越高,暫態(tài)運行達到穩(wěn)態(tài)或0態(tài)的過程越快,響應(yīng)時間越短；正的Lyapunov指數(shù)越大,系統(tǒng)對初態(tài)的敏感依賴程度越大,暫態(tài)不穩(wěn)定性越高,對應(yīng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性越大,建壓暫態(tài)達穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)越快。實驗結(jié)果顯示,自勵異步發(fā)電機在固定轉(zhuǎn)速情況下的建壓暫態(tài)過程隨勵磁電容值的增大而變快；其定子頻率穩(wěn)態(tài)值隨勵磁電容值的增大而減小,隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和負載阻值的增大而增大,其他狀態(tài)參量穩(wěn)態(tài)值則隨勵磁電容、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或負載阻值的增大而增大。實驗結(jié)果表明,勵磁電容、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或負載通過改變動態(tài)勵磁電感改變自勵異步發(fā)電機系統(tǒng)非線性特性,這與理論結(jié)果相互吻合；自勵異步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)值受剩磁量或勵磁電容儲能量和線路損耗或鐵損的影響較大,初態(tài)剩磁量或勵磁電容儲能量越大,實驗穩(wěn)態(tài)值較理論值越大；負載阻值越小,總等效阻抗越小,系統(tǒng)損耗越大,實驗穩(wěn)態(tài)值將小于理論值。這就從實驗層面進一步驗證了所提理論分析方法、暫態(tài)穩(wěn)定臨界條件和穩(wěn)態(tài)條件及其解析計算式的正確性。

由此,本文系統(tǒng)地建立了異步發(fā)電機暫、穩(wěn)態(tài)運行全過程的機理性分析方法。該方法與以往主要基于數(shù)值迭代計算的分析方案有很大不同,更適于異步發(fā)電機的系統(tǒng)配置和安全運行保護措施的優(yōu)化設(shè)計及其性能評價,為提高新能源發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和運行可靠性提供新的理論依據(jù)。

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