三相自激感应发电机瞬态过程仿真分析

1. 引言

2. 三相双笼自激感应发电机数学模型

3.自激电容的计算

4. 实例仿真

5. 结论

6. 参考文献

1.引言

自激感应发电机（Self-Excited Induction Generator，简称SEIG）是一种在没有外部励磁电源的情况下，依靠自身剩磁或励磁绕组产生的电压来建立磁场的发电机。这种发电机在某些特定的应用场合具有独特的优势，并且一直是电力系统领域的研究热点。

自激感应发电机的应用场合：（1）偏远地区供电：在远离城市电网的偏远农村地区，由于输电线路成本高、输配电损耗高，将现有电网扩展到这些地区非常困难且成本高昂。自激感应发电机可以利用当地可用的可再生能源，如风能、小水电等，为当地消费者提供电力；（2）独立系统：在舰船、飞机、钻井平台等独立系统中，自激感应发电机因其结构简单、维护方便、成本低等优点得到广泛应用；（3）可再生能源发电：自激感应发电机适用于风力发电等新能源发电领域，尤其是在风力发电系统中，它们可以适应风速变化，提高发电效率和系统稳定性。（4）海浪能提取：有研究分析了自激感应发电机在海浪能提取中的应用，通过设计和分析新型小规模自激感应发电机，以实现高效的能量转换和电力质量。

研究自激感应发电机的意义：（1）提高能源利用效率：通过研究自激感应发电机，可以更有效地利用小型水能和风能等可再生能源，这对于减少对化石燃料的依赖和降低环境污染具有重要意义；（2）系统稳定性：自激感应发电机在独立系统中提供了一种可靠的电力供应方式，研究如何提高其在不同负载和速度扰动下的电压和频率稳定性，对于保证电力系统的稳定运行至关重要；（3）成本效益：自激感应发电机结构简单、成本低、维护少，研究如何进一步优化其设计和控制策略，可以提高其在各种应用中的经济性；（4）技术进步：随着电力电子技术的发展，结合自激感应发电机使用电力电子转换器可以改善其性能，如电压控制和稳定性。研究这些先进技术的应用，可以推动电力系统技术的进步；（5）解决非线性问题：自激感应发电机的稳态分析涉及非线性方程求解，研究如何使用新的数学工具和方法，如广义Hopfield神经网络，来解决这些非线性问题，对于提高分析效率和准确性具有重要意义。总的来说，自激感应发电机在风力发电中的应用能够提供一种成本效益高、可靠性好的发电方式，尤其适合于偏远地区和小型风力发电项目。通过适当的控制策略和电力电子技术的应用，可以提高风力发电的效率和稳定性，还能推动相关技术的发展和进步。

自激感应发电机有单相和多相之分，本文研究应用场合最广泛的单笼转子三相自激感应发电机的瞬态过程，为此首先建立起考虑主磁路饱和因素的静止dq坐标系下的三相感应发电机瞬态数学模型，然后建立相应的仿真模型；从感应发电机稳态等效电路出发，建立起计算自激感应发电机的自激电容数值的目标函数，用优化方法进行求解；最后，通过实例对空载自激建压过程以及发电机参数不变、自激电容数值不变、和转速不变和变化时负载大小对发电机端电压的影响的瞬态过程进行仿真分析，得出了有用的结论。

2. 三相自激感应发电机瞬态数学模型

分析三相自激感应发电机采用静止dq坐标系的数学模型较方便。图1显示了静止dq坐标系下的自激感应发电机的定、转子等效电路。按发电机惯例三相自激感应发电机在d-q静止参考系中的电压和电流关系描述为：

图1. 静止dq坐标系下的自激感应发电机

$[\mathrm v]=[\mathrm R][\mathrm i]+[\mathrm L]\mathrm p[\mathrm i]+\mathrm\omega_\mathrm r[\mathrm G][\mathrm i]\quad(1)$

上式中，p为时间导数，v、i、R、L和G为电压、电流、电阻、变压器电感和旋转电感矩阵，分别为：

$\begin{bmatrix}v\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}v_{ds}&v_{qs}&v_{dr}&v_{qr}\end{bmatrix}^T$ ； $\begin{bmatrix}v\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}v_{ds}&v_{qs}&v_{dr}&v_{qr}\end{bmatrix}^T$ ；

$R=\begin{bmatrix}R_s&0&0&0\\0&R_s&0&0\\0&0&R_r&0\\0&0&0&R_r\end{bmatrix}$ ； $L=\begin{bmatrix}L_{ls}+L_m&0&L_m&0\\0&L_{ls}+L_m&0&L_m\\L_m&0&L_{lr}+L_m&0\\0&L_m&0&L_{lr}+L_m\end{bmatrix}$ ；