异步化同步发电机是一种新型的、先进的发电技术。异步化同步发电机的转子为多相绕组,当转子绕组通以交流励磁电流时,转子的转速为异步转速。异步化同步发电机有两种运行方式:广义同步运行方式和广义异步运行方式。在广义同步运行方式下,转子的转速随交流励磁电流的频率变化,而在广义异步运行方式下,交流励磁电流的频率随转子的转速进行调节,转子的励磁磁动势和电枢磁动势保持相对静止,使发电机机电耦合由刚性联系变为柔性联系。交流励磁电流由电力电子变流装置提供,通过调节励磁电压的幅值、频率、相位及相序,不但可以实现发电机变速恒频运行,而且能独立调节发电机输出的有功功率和无功功率,从而加快发电机组的动态相应。异步化同步发电机本身的静态稳定和暂态稳定优于普通的同步发电机,采用合适的控制策略,可以改善电力系统的静态稳定、动态稳定和暂态稳定。水轮发电机组采用异步化同步发电机,利用其速度可调的优势,可使机组运行于优化负荷工况,提高机组的运行效率,减少水轮机的振荡、气蚀和磨损。而风电机组采用这种可变速运行的发电机,可以依据实际风速和风轮机的特性,调整发电机的运行转速,使机组运行在最大输出功率的转速附近,从而提高系统的运行效率;另外机组可以很快吸收由于风力变化产生的冲击能,因而可以降低机械装置的机械应力。异步化同步发电机运行控制的关键是励磁控制,本文将模糊PID控制技术应用于交流励磁控制,进行了理论分析和试验研究,并对控制系统的稳定性进行了分析研究。 本文详尽地分析了异步化同步发电机转子为三相对称绕组,两相正交绕组和两相60度绕组时在相坐标系下的基本方程式,给出了异步化同步发电机采用正交变换后,在dqo坐标系中的有名值和标幺值的基本方程,为发电机的励磁控制策略研究、静态稳定分析、动态特性及发电机控制系统的稳定性分析提供基础。 本文讨论了异步化同步发电机稳态运行时的基本方程式、等效电路、相量图和工作特性。和普通同步发电机不同,也和感应电动机变频调速不同,异步化同步发电机在不同运行工况下转子绕组的功率流向不同。本文讨论了转子绕组吸收电功率还是输出电功率的问题,指出发电机运行在亚同步转速时,转子绕组从励磁装置吸收电功率,而运行在超同步转速时(转差率为负值),可能吸收电功率,也可能输出电功率,并提出了临界转差率的概念。当转差率大于临界转差率时,转子绕组从励磁装置吸收电功率,而当转差率小于临界转差率时,转子绕组输出电功率,通过励磁装置回馈给电网,为励磁控制装置的设计提供依据。 本文还讨论了转子电流限制对发电机有功功率和无功功率调节的影响,给出了转子电流一定时,定子有功功率和无功功率调节的制约关系。同时分析了异步化同步发电机电磁转矩的构成,分析了发电机电磁转矩和转差率、转子电压相位的关系。 本文同时分析了异步化同步发电机在广义同步运行方式下和广义异步运行方式下的静态稳定问题,给出了静态稳定判据,指出广义异步运行的异步化同步发电机可以通过改变转子电压相位,依靠同步转矩的作用来拓展发电机的静态稳定区域,从理论上阐述了广义异步运行的异步化同步发电机有较大的静态稳定区域,其静态稳定性能优于普通的同步发电机。 本文详尽地分析了异步化同步发电机定子磁场定向控制的原理,建立了定子磁场定向转子励磁控制的数学模型。采用定子磁场定向的双环控制策略,控制内环为电流环,控制外环为功率环,实现发电机有功功率和无功功率的独立控制。 转子物理量的转换角在定子磁场定向控制中扮演重要的角色,所测量的转子相电流转换到同步参考轴系,或在给定转子电压的参考值(给定值)时,需要将同步参考轴系上的电压参考值转换到