自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析

異步發(fā)電機(jī)具有成本低、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、易維護(hù)、暫態(tài)性能良好和可短路自保護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn),在并網(wǎng)、微電網(wǎng)和獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,尤為發(fā)電或邊遠(yuǎn)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(jī)型,在新能源的開(kāi)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(jī)系統(tǒng)的建模是對(duì)其運(yùn)行性能進(jìn)行分析的必要手段,數(shù)學(xué)模型是對(duì)研究對(duì)象物理結(jié)構(gòu)的模擬,其中離不開(kāi)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(duì)實(shí)際對(duì)象質(zhì)的特性研究,質(zhì)是區(qū)別于其他物理對(duì)象的標(biāo)志,也是系統(tǒng)運(yùn)行性能理論分析的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn),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(shì),以定性分析為主,分析對(duì)象的運(yùn)行機(jī)理；以定量分析為輔,用對(duì)象的算例和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,兩種方法的有機(jī)結(jié)合能夠有效地揭示異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)質(zhì)。

鑒于目前異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能無(wú)法解析計(jì)算,通過(guò)將自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)在三相坐標(biāo)系上的物理模型及其數(shù)學(xué)模型等效變換到其他坐標(biāo)系上,得到其在兩相靜止坐標(biāo)系上的等效電路模型及其數(shù)學(xué)模型。根據(jù)等效變換后所得模型,通過(guò)引入非線性動(dòng)力學(xué)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(duì)自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的自勵(lì)建壓與投切負(fù)載暫態(tài)和帶載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)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(yùn)用算例分析比較并驗(yàn)證其正確性,說(shuō)明分析結(jié)果的簡(jiǎn)捷性。由穩(wěn)態(tài)分析得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)條件—極限環(huán)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn),為了求解穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)條件,提出基于坐標(biāo)系的等價(jià)轉(zhuǎn)化解析計(jì)算方法。

通過(guò)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)的解析計(jì)算式,得到穩(wěn)態(tài)條件的解析解。運(yùn)用算例分析檢驗(yàn)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(jì)算以及補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)。運(yùn)用基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的整體性分析方法,提出對(duì)投切負(fù)載等大擾動(dòng)暫態(tài)過(guò)程的分析方法及其完整分析過(guò)程,該方法從運(yùn)動(dòng)特性等物理本質(zhì)角度區(qū)別了負(fù)載投入和切除的兩種暫態(tài)過(guò)程。通過(guò)上述分析可知,穩(wěn)態(tài)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)是一個(gè)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(lái)判定,發(fā)電機(jī)外電路參數(shù)通過(guò)改變動(dòng)態(tài)勵(lì)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(lì)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)定性及其穩(wěn)定程度。負(fù)的Lyapunov指數(shù)值越大,暫態(tài)穩(wěn)定性越高,暫態(tài)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)或0態(tài)的過(guò)程越快,響應(yīng)時(shí)間越短；正的Lyapunov指數(shù)越大,系統(tǒng)對(duì)初態(tài)的敏感依賴程度越大,暫態(tài)不穩(wěn)定性越高,對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性越大,建壓暫態(tài)達(dá)穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)越快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)在固定轉(zhuǎn)速情況下的建壓暫態(tài)過(guò)程隨勵(lì)磁電容值的增大而變快；其定子頻率穩(wěn)態(tài)值隨勵(lì)磁電容值的增大而減小,隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和負(fù)載阻值的增大而增大,其他狀態(tài)參量穩(wěn)態(tài)值則隨勵(lì)磁電容、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或負(fù)載阻值的增大而增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,勵(lì)磁電容、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或負(fù)載通過(guò)改變動(dòng)態(tài)勵(lì)磁電感改變自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)非線性特性,這與理論結(jié)果相互吻合；自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)值受剩磁量或勵(lì)磁電容儲(chǔ)能量和線路損耗或鐵損的影響較大,初態(tài)剩磁量或勵(lì)磁電容儲(chǔ)能量越大,實(shí)驗(yàn)穩(wěn)態(tài)值較理論值越大；負(fù)載阻值越小,總等效阻抗越小,系統(tǒng)損耗越大,實(shí)驗(yàn)穩(wěn)態(tài)值將小于理論值。這就從實(shí)驗(yàn)層面進(jìn)一步驗(yàn)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(jì)算式的正確性。

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

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