异步发电机具有成本低、结构坚固、易维护、暂态性能良好和可短路自保护等诸多优点,在并网、微电网和独立发电系统中应用广泛,尤为发电或边远地区和电网不能覆盖区域的用户和小型商用发电的机型,在新能源的开发和利用方面正发挥着日益重要的作用。异步发电机系统的建模是对其运行性能进行分析的必要手段,数学模型是对研究对象物理结构的模拟,其中离不开假定条件,由此也引入了不可避免的误差,这是定量分析的主要缺陷。定性分析注重对实际对象质的特性研究,质是区别于其他物理对象的标志,也是系统运行性能理论分析的基础和出发点,但定性分析未免失之于主观。合理整合定性分析和定量分析这两种方法的优势,以定性分析为主,分析对象的运行机理；以定量分析为辅,用对象的算例和实验进行验证,两种方法的有机结合能够有效地揭示异步发电机系统运行的实质。

鉴于目前异步发电机系统暂稳态运行性能无法解析计算,通过将自励异步发电机在三相坐标系上的物理模型及其数学模型等效变换到其他坐标系上,得到其在两相静止坐标系上的等效电路模型及其数学模型。根据等效变换后所得模型,通过引入非线性动力学系统理论和能量转换与守恒定律,提出基于Lyapunov稳定性理论的整体性分析方法。应用这种整体性分析方法分别对自励异步发电机系统的自励建压与投切负载暂态和带载稳态运行过程进行分析。由暂态分析得到暂态稳定的临界条件及其解析解,运用算例分析比较并验证其正确性,说明分析结果的简捷性。由稳态分析得到稳态运行的稳态条件—极限环和稳态运行点,为了求解稳态运行点条件,提出基于坐标系的等价转化解析计算方法。

通过稳态运行点的解析计算式,得到稳态条件的解析解。运用算例分析检验并得到稳态条件*的解析解,该解析解可通用于转矩和功率的解析计算以及补偿器的设计。运用基于Lyapunov稳定性理论的整体性分析方法,提出对投切负载等大扰动暂态过程的分析方法及其完整分析过程,该方法从运动特性等物理本质角度区别了负载投入和切除的两种暂态过程。通过上述分析可知,稳态的运动形态是一个具有固定周期的轨道一极限环,稳态稳定性可由极限环稳定性来判定,发电机外电路参数通过改变动态励磁电感改变系统暂稳态性能。引入Lyapunov指数,统一分析自励异步发电机系统的暂态和稳态运行的稳定性及其稳定程度。负的Lyapunov指数值越大,暂态稳定性越高,暂态运行达到稳态或0态的过程越快,响应时间越短；正的Lyapunov指数越大,系统对初态的敏感依赖程度越大,暂态不稳定性越高,对应稳态稳定性越大,建压暂态达稳态的响应越快。实验结果显示,自励异步发电机在固定转速情况下的建压暂态过程随励磁电容值的增大而变快；其定子频率稳态值随励磁电容值的增大而减小,随转子转速和负载阻值的增大而增大,其他状态参量稳态值则随励磁电容、转子转速或负载阻值的增大而增大。实验结果表明,励磁电容、转子转速或负载通过改变动态励磁电感改变自励异步发电机系统非线性特性,这与理论结果相互吻合；自励异步发电机稳态值受剩磁量或励磁电容储能量和线路损耗或铁损的影响较大,初态剩磁量或励磁电容储能量越大,实验稳态值较理论值越大；负载阻值越小,总等效阻抗越小,系统损耗越大,实验稳态值将小于理论值。这就从实验层面进一步验证了所提理论分析方法、暂态稳定临界条件和稳态条件及其解析计算式的正确性。

由此,本文系统地建立了异步发电机暂、稳态运行全过程的机理性分析方法。该方法与以往主要基于数值迭代计算的分析方案有很大不同,更适于异步发电机的系统配置和安全运行保护措施的优化设计及其性能评价,为提高新能源发电系统的转换效率和运行可靠性提供新的理论依据。

 

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