1.4.2 基于无刷双馈电机的独立发电系统研究及应用现状

BDFM取消了集电环和电刷，相对于DFIG，其结构更加简单和可靠。参考文献[73]已经表明，BDFM在替代DFIG方面具有巨大的潜力，因此基于BDFM的独立发电系统有很大的研究价值。参考文献[78]基于BDFM的一种新的T型稳态模型分析了BDFM独立发电系统的性能。目前对BDFM独立发电控制方法进行研究的文献较少，参考文献[102]针对BDFM独立发电系统提出了一种可行的标量控制方法，该方法是通过调节CW电流的频率来维持PW电压频率的稳定，通过调节CW电流的幅值来维持PW电压幅值的稳定。该方法对PW电压频率进行控制的理论依据是PW频率、CW频率和电机转速在稳态下存在一个固定的数学关系，通过给定的PW频率和测量得到的电机转速即可计算出所需要的CW频率。对PW电压幅值进行调节的原理也是从BDFM的稳态特性得出的，当CW电流变大时，转子绕组中的感应电流会增大，电机的气隙磁场会增强，通过转子的耦合作用，PW的感应电动势会增大，进而使得输出端电压增大；同理，当CW电流变小时PW的端电压会相应减小。由此可看出，参考文献[102]所提出的标量控制方法完全是基于BDFM的稳态特性，因此它不可能具有很好的动态响应性能。

图1.7 德国西门子公司的FRECON船舶轴带独立发电系统

图1.8 日本大阪燃气公司研制的内燃机驱动变速恒频独立发电系统

图1.9 英国Rolls-Royce公司的船舶轴带发电系统

BDFM独立发电系统的基本结构如图1.10所示，一台原动机用来驱动BDFM的转子，根据原动机与发电机转速之间的匹配关系可增加或移除中间的齿轮箱，为了实现能量的双向流动，两个背靠背PWM变流器被连接在PW和CW之间^[78]。电机侧变流器（Machine Side Converter，MSC）为CW提供频率和幅值变化的励磁电流。负载侧变流器（Load Side Con verter，LSC）则实现以下功能：①使直流母线电压稳定在设定值；②在次同步速运行时，吸收PW的电能来给CW供电；③在超同步速运行时，将CW的电能回馈到负载侧。对于独立发电系统而言，当连接或切除负载时，系统输出电压的幅值、频率和相位的波动往往大于同等情况下电网电压的波动；而且当系统连接不对称负载或非线性负载时，往往会导致输出电压不对称或包含谐波，这样的运行工况对MSC和LSC的控制提出了很高的技术要求。

图1.10 BDFM独立发电系统的基本结构

图1.11 船舶轴带无刷双馈交流发电系统样机

图1.11是华中科技大学与中国长江航运集团电机厂联合研制的船舶轴带无刷双馈交流发电系统，该系统已在长江航运集团所属的一艘6000DWT内河自航船进行了样机试验，发电机采用绕线转子BDFM，其容量为64kVA，额定功率因数为0.8，PW和CW的极对数分别为2和4，转速范围为375～700r/min，BDFM与船舶主发动机同轴相连。