基于无刷双馈发电机的船舶独立发电系统励磁控制和性能分析
中国电工技术学会主办，2017年8月19-21日在北京铁道大厦举办，本届大会主题为“能源大变革时代——电工装备行业创新与发展之路”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）的研究人员陈昕、王雪帆，在2017年第3期《电工技术学报》上撰文指出，无刷双馈感应发电机是一种新型的电机,被广泛应用于一些变速恒频的发电系统。介绍了一种基于绕线转子无刷双馈发电机的船舶轴带独立发电系统的控制方法。
这种控制方法能够在不需要电机参数的情况下实现对无刷双馈发电机的输出电压和频率的控制,同时能够消除原动机转速变化和负载变化带来的影响。在处理无刷双馈发电机独立发电系统的控制问题时,面临的主要困难是这种电机内部复杂的结构。
为了克服这些问题,对独立运行的无刷双馈发电机的数学模型、功率流动和运行性能进行了完整的推导和分析。无刷双馈发电机独立发电系统的实验验证是在一台2/6极250机座号的绕线转子无刷双馈发电机上进行的。
近年来，无刷双馈感应发电机（BDFIG）在变速恒频发电领域获得了广泛的关注，如海上风力发电系统和船舶轴带发电等嵌入式发电系统。这些应用领域的特点是发电机的维护变得越来越困难和昂贵。无刷双馈发电机一方面仅需配套与电机部分功率等级对应的变流器，另一方面取消了有刷双馈发电机中的电刷和集电环，提高了发电机组的稳定性。
无刷双馈发电机的商业化应用目前仍未完全实现，其部分原因在于发电机控制的复杂性。这主要是由于无刷双馈发电机复杂的结构造成的。有些文献已经研究了基于有刷双馈发电机（DFIG）和无刷双馈发电机的变速恒频发电系统。
剑桥大学的研究人员针对无刷双馈发电机提出了一种应用于风力发电系统的磁场定向控制方法，这种方法定向于定子功率绕组磁链并能够动态调节运行时电机输出的有功和无功功率，但是该方法增加了计算的复杂性和负担，且不适用于需要调节电机输出电压和频率的独立发电工况。
也有研究人员研究了基于有刷双馈发电机的不间断供电系统，该系统与船舶发电系统有着很高的相似性，但是由于电机不同，其控制方法很难直接应用于无刷双馈发电机控制。
本文提出了一种基于无刷双馈发电机的独立变速恒频发电系统输出电压的控制方法。首先，介绍无刷双馈发电机的原理和系统的拓扑结构；然后，对独立发电系统进行数学描述；接着，研究独立发电系统的励磁控制方法；最后进行仿真，并在一台250机座号的绕线转子无刷双馈发电机上进行实验验证。同时，还对独立发电系统的性能和效率进行了分析，揭示了转子转速、负载情况和绕组电流之间的关系。
图4 船舶轴带无刷双馈发电机控制绕组侧变流器控制框图
结论
本文针对船用无刷双馈独立发电系统进行了理论分析和实验研究，得出如下结论：
1）虽然无刷双馈发电机具有复杂的电磁结构，但本文提出的控制算法可以在不依赖于电机参数的情况下实现相应的控制效果。仿真和样机实验的结果表明，该控制算法简单可靠、动态响应较快，具有一定的实用性。
2）在传统结构的船舶上，船上用电一直依赖于消耗柴油的发电机组供电，而船舶的传动轴则靠消耗原油的内燃机驱动。柴油的价格高于原油，并且两种石油并存的模式并不利于节约成本。在新型船用无刷双馈发电机轴带发电系统中，无刷双馈发电机与船舶驱动轴同轴相连，省去了柴油发电机组，同时无论船舶转速如何变化或者负载的投切，都能实现变速恒频发电，因此能够节约成本以及具有相应的工业应用潜力。
3）目前船舶无刷双馈发电机的效率很大程度上受到样机的内部损耗的影响，因此后续的工作将针对样机本体结构进行优化设计以提高效率。